▲海龟三层结构皮层（左）和背侧皮层典型神经元类型（右）照片。两种神经元的两个基因进行荧光原位杂交标记神经元。
我们的大脑皮层是由一大片神经元连接的回路，其中包括“原始”的区域，如海马；以及“新”的区域，如只存在于哺乳动物中的“新皮质”。但在进化过程中大脑皮层何时出现又如何进化的呢？德国法兰克福马克斯普朗克（Max Planck?Institute）脑研究所的科学家们研究了海龟和蜥蜴皮层神经元的基因表达，发现它们与哺乳动物大脑皮质有着意想不到的相似性和差异性，这些结果堪称是重建脊椎动物脑进化的里程碑。
哺乳动物、爬行动物和鸟类起源于大约3亿2000万年前，它们有着共同祖先。神经科学家认为，这个祖先的大脑有一个三层结构的小皮层，因为今天在哺乳动物的海马体和现代爬行动物的所有皮层中都发现了类似的结构：该小皮层可能对应于它们共同的祖先皮层。
一直以来，人们都是基于发育、解剖特征来对爬行动物皮层和哺乳动物的新旧皮层进行比较，以寻找相似性、潜在祖先特征和独立进化儿产生的差异，新研究则以爬行动物神经元的分子特性为基础，提供了前所未有的数据来帮助重建皮质进化的过程。法兰克福马克斯普朗克脑研究所的Gilles Laurent和他的研究小组重点研究了组成皮层回路的无数神经元类型的分子特征。
研究的第一作者Maria Antonietta Tosches和同事们在获取海龟和蜥蜴细胞的转录组后，对它们进行了测序。利用这些基因表达谱，科学家可以对成千上万的神经元进行分类，找到每种类型神经元的标记基因，并使用它们来评估细胞在大脑中的位置。此时，我们可以想象一张皮质的图片突然变成一个彩色区域的拼贴，而每个区域都包含一个或几个特征细胞类型。作者们将爬行动物分子图谱与哺乳动物大脑直接进行比较，找到一对一的对应关系，甚至得出3亿2000万年前共同祖先的大脑的假说（现在已经灭绝）。
Tosches说：“我们的研究结果极大地阐明了我们对爬行动物大脑的理解，从而理解了大脑的进化过程。”例如，这些新的分子图谱显示，爬行动物具有与哺乳动物海马中发现的神经元类型对应的神经元，该结构涉及空间取向和记忆的形成。在爬行动物中，海马在大脑的中心单独存在，并不折叠。Laurent补充说：“从早期哺乳动物看来，祖先海马已经被越来越多的支配性新皮层推动并被迫折叠起来。”
相反，无海马的爬行动物皮层揭示了哺乳动物新皮层复杂的历史。例如，抑制性神经元在爬行动物和哺乳动物中表达相似的基因，表明其有一个共同的祖先。然而，兴奋性神经元在这两组间差异很大。Tosches说：“哺乳动物六层的大脑新皮质是由古老的神经元类型和新的神经元类型组成的一种嵌合体。”科学家现在可以指出哺乳动物新皮层的真正新奇性，即基因表达程序发生变化后，新类型的兴奋性神经元的出现。
研究开辟了许多新的问题。古代神经元类型在爬行动物和哺乳动物皮质回路中有相同的功能吗？这些分子的相似性和差异能告诉我们大脑功能和动物行为的演变吗？Laurent说：“从这些新的分子图谱中可以挖掘更多的东西，这只是一个开始”。
编译：小贝 审稿：西莫
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