我們的大腦皮層，一片神經(jīng)元，連接和回路，包括“古老”區(qū)域，如海馬和“新”區(qū)域，如六層“新皮層”，僅在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)，最突出的是人類。但是在進化過程中，大腦皮層的成分是否會出現(xiàn)，它們是如何進化的?美因河畔法蘭克福馬克斯普朗克腦研究所的科學(xué)家們研究了海龜和蜥蜴皮層神經(jīng)元中的基因表達，并發(fā)現(xiàn)了與哺乳動物皮層意想不到的相似和不同之處。這些結(jié)果是重建脊椎動物大腦進化的里程碑。

在很多方面，我們是大腦皮層。它的電路有助于塑造我們對世界的感知，存儲我們的記憶并規(guī)劃我們的行為。一個大腦皮質(zhì)，其典型的層狀組織，只有在哺乳動物，包括人類和非禽類爬行動物如蜥蜴和烏龜發(fā)現(xiàn)。哺乳動物，爬行動物和鳥類起源于大約3.2億年前的共同祖先。神經(jīng)科學(xué)家認為，這個祖先有一個三層的小皮層，因為今天在哺乳動物的海馬和現(xiàn)代爬行動物的所有皮質(zhì)中都發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)構(gòu)：這些三層皮質(zhì)可能與它們共同的祖先皮層相對應(yīng)。

通過比較當今爬行動物的皮質(zhì)與當今哺乳動物的新舊皮質(zhì)(如海馬體和新皮層)，我們可以尋找相似性，潛在的祖先性狀和差異 - 由它們的獨立進化產(chǎn)生 - 從而重建主要皮層進化的特征。到目前為止，比較基于發(fā)育和解剖學(xué)特征。這項基于單個爬行動物神經(jīng)元分子特征的新研究提供了前所未有的數(shù)據(jù)，有助于重建皮層進化。

幾十年來，爬行動物和哺乳動物大腦之間的解剖學(xué)差異引發(fā)了許多關(guān)于皮層進化的爭議。人們爭論爬行動物大腦的這一部分是否與哺乳動物大腦的那部分相對應(yīng)，或者哺乳動物新皮層中發(fā)現(xiàn)的許多層是否也存在于爬行動物中，但其形式是傳統(tǒng)方法無法檢測到的。Gilles Laurent和他在Max Planck腦研究所的研究小組采用了不同的方法，專注于構(gòu)成皮質(zhì)回路的無數(shù)神經(jīng)元類型的分子表征。

轉(zhuǎn)錄組測序

神經(jīng)元“類型”尤其因其形態(tài)，神經(jīng)遞質(zhì)，連接和功能特性而不同。這些特征都源于不同基因組的表達;因此，可以通過測量它們含有的信使RNA分子(它們的“轉(zhuǎn)錄組”)對各個神經(jīng)元進行分類(或分型)。本研究的第一作者Maria Antonietta Tosches及其同事使用專門的微流體平臺，在微觀水滴中逐一捕獲龜和蜥蜴細胞的轉(zhuǎn)錄組。

利用這些基因表達譜，科學(xué)家們可以對數(shù)千個神經(jīng)元進行分類。從每種類型，他們可以識別診斷標記基因，并使用它們來評估大腦中細胞類型的位置。想象一下皮質(zhì)的圖片，直到那時均勻，突然變成彩色區(qū)域的拼貼畫，每個區(qū)域包含一個或幾個特征細胞類型。

作者現(xiàn)在可以直接比較爬行動物的分子圖譜與哺乳動物大腦的分子圖譜，找到一對一的對應(yīng)關(guān)系，甚至可以得出關(guān)于其3.2億年前(現(xiàn)已滅絕)共同祖先大腦的假設(shè)。

被迫折疊

“我們的研究結(jié)果極大地闡明了我們對爬行動物大腦的理解，從而也解釋了大腦進化的理解，”托切斯說。例如，這些新的分子圖顯示，爬行動物具有與哺乳動物海馬體中發(fā)現(xiàn)的神經(jīng)元類型相對應(yīng)的神經(jīng)元類型，涉及空間定向和記憶形成的結(jié)構(gòu)。在爬行動物中，海馬被發(fā)現(xiàn)朝向大腦的中心，但與其折疊的哺乳動物對應(yīng)物不同，它看起來像一張紙。“就像在早期的哺乳動物中，祖先的海馬體被一個日益占主導(dǎo)地位的新皮層推動并被迫折疊自身，以獲得其標志性的哺乳動物結(jié)構(gòu)，”洛朗補充說。

相比之下，非海馬爬行動物皮層揭示了哺乳動物新皮質(zhì)的復(fù)雜歷史。例如，抑制性神經(jīng)元在爬行動物和哺乳動物中表達相似的基因組，表明共同的祖先。然而，興奮性神經(jīng)元在這兩組中存在顯著差異。“哺乳動物的六層新皮層是一種迷人的古代和新型神經(jīng)元類型的鑲嵌圖，”Tosches說?？茖W(xué)家們現(xiàn)在可以指出哺乳動物新皮質(zhì)的真正新穎性，即在基因表達程序發(fā)生深刻變化后出現(xiàn)新型興奮性神經(jīng)元。

這項研究開辟了許多新問題。古代神經(jīng)元類型在爬行動物和哺乳動物皮層回路中具有相同的功能嗎?這些分子的相似性和差異可以告訴我們大腦功能和動物行為的演變嗎?“從這些新的分子圖中探索還有很多東西，”洛朗說：“這只是一個開始。”