中国科学家绘制七鳃鳗全脑三维空间图谱 助力揭示脊椎动物脑演化

中国科学院昆明动物研究所宿兵团队联合华大生命科学研究院和辽宁师范大学研究团队，于近日首次构建了七鳃鳗全脑三维空间单细胞图谱。该成果相当于为这一古老物种的大脑绘制了一张详细的“地图”，为研究脊椎动物的脑演化提供了新的工具。

为何选择七鳃鳗开展研究

复杂的大脑是脊椎动物区别于无脊椎动物的关键标志，也是各种行为和认知能力的基础。为研究脊椎动物最早的脑，科学家将目标投向七鳃鳗。它属于现存少数几类没有上下颌的脊椎动物代表，大约在4.5亿年前与包括人类在内的有颌类脊椎动物的祖先分道扬镳。

值得注意的是，七鳃鳗的核心形态特征在化石记录中保持了约3.6亿年几乎不变，因此被科学界视为“活化石”物种。研究者认为，它是重建脊椎动物脑祖先状态的关键类群。

“科学家通过构建这张图谱，得以重建脊椎动物脑的部分祖先特征，并揭示神经元和脑结构在5亿年演化过程中的重要创新。”——研究团队指出。

图谱构建的技术路径

图谱构建涉及多学科协作，由中国科学院昆明动物研究所、华大生命科学研究院和辽宁师范大学的研究人员共同完成。

• 研究团队以七鳃鳗的全脑为研究对象，开展单细胞层面的分析。
• 他们将细胞空间位置信息与分子特征数据结合，建立了三维空间单细胞图谱。
• 该图谱类似一张“地图”，可标明不同脑区中各类细胞的类型与分布。

对演化生物学研究的推动

在这张“地图”的辅助下，研究人员能够从单细胞尺度审视脊椎动物脑的演化历程。图谱揭示了部分祖先特征，并凸显了神经元和脑结构在长达5亿年演化过程中的关键创新。这些发现为理解脊椎动物脑功能的复杂起源提供了直接的细胞形态学证据。

七鳃鳗所处演化位置的特殊性，使其成为连接无颌类与有颌脊椎动物脑结构演化的重要节点。新构建的图谱有助于学者从空间维度还原脑在早期脊椎动物中的基本框架。

七鳃鳗脑图谱研究登Science封面 揭示脊椎动物脑演化关键祖先特征

中国科学院昆明动物研究所、杭州华大生命科学研究院、辽宁师范大学等机构联合完成的一项研究，以封面论文形式发表于近日出版的《科学》（Science）杂志。该研究绘制了七鳃鳗脑图谱，通过跨物种比较，系统揭示了脊椎动物脑演化的重要祖先特征与谱系分化路径。

跨数亿年的大脑结构保守性

研究团队将七鳃鳗与小鼠的脑图谱进行对比，发现两者在嗅球神经发生轨迹、延脑分节区域以及不同脑区核心细胞类型等方面高度相似。这一结果提示，早在脊椎动物共同祖先身上，大脑可能已具备分区明确、分子表达谱复杂的结构基础。

与此同时，七鳃鳗端脑、中脑和延脑等区域存在明显的谱系特异细胞类型及空间分布模式。例如七鳃鳗特有的中脑神经元（MidNeuron）和延脑中体积巨大的穆勒细胞（Müller cell），而哺乳动物则出现大脑皮层精细的分层结构——反映出不同演化谱系独特的脑分化轨迹。

神经元演化呈现“兼职”与“专职”模式

为进一步研究神经元如何在不同脊椎动物中演化，研究汇集了斑马鱼、龟、蜥蜴、斑马雀、鸽子、小鼠和猕猴等代表性脊椎动物的组学数据。跨物种比较分析显示，大脑中负责加速信号的兴奋性神经元与负责踩刹车的抑制性神经元，在演化过程中演化出两种模式：部分神经元同时承担多种功能（“兼职”模式），另一类则只专职完成一项任务（“专职”模式）。

“通常一类细胞只做一件事，但跨物种分析揭示了更复杂的演化策略。”研究人员表示。

小脑起源争议获新分子证据

针对长期存在争议的脊椎动物小脑起源问题，研究在七鳃鳗“小脑样区域”中鉴定出一类与斑马鱼小脑中间神经元分子特征高度相似的细胞。这表明七鳃鳗脑中可能已存在一个雏形小脑：结构上未形成分层、细胞呈弥散分布，并以类小脑中间神经元为主。这一发现为后续有颌类层状精细化小脑结构的演化奠定了基础，也为小脑起源问题提供了新的分子层面证据。

论文信息与团队

该成果的共同第一作者包括中国科学院昆明动物研究所博士研究生吴海旭、杭州华大生命科学研究院副院长陈铎元、辽宁师范大学副教授李军、华大生命科学研究院博士研究生周涛和副研究员庄镇堃。共同通讯作者为中国科学院昆明动物研究所研究员宿兵、华大生命科学研究院研究员刘石平、辽宁师范大学教授逄越。

研究人员指出，随着空间组学技术的发展，七鳃鳗脑图谱有望成为未来研究脑演化的重要参考资源。