早期的四足類動物離開了海洋，勇敢地登上陌生的陸地，***終演化出了爬行類、鳥類以及哺乳類等陸生動物。這些曾擁有共同祖先的四足動物，為什么在今天展現(xiàn)出了迥異的大腦特征？一些在我們看來較為“低等”的動物的大腦，為什么卻擁有令人羨慕的神奇再生能力？

    ***新一期《科學》雜志的封面通過4篇研究論文，揭示了爬行動物與兩棲動物大腦演化過程中的關鍵創(chuàng)新，講述了那些前所未聞的大腦演化故事。

    以往，科學家在研究脊椎動物大腦演化時，關注的往往是不同物種腦區(qū)層面的相似性。而***新研究能夠深入細胞層面，聚焦不同細胞類型在大腦演化中扮演的角色。

    這些關鍵突破的出現(xiàn)，離不開單細胞空間轉(zhuǎn)錄組學的發(fā)展。過去幾年，科學家已經(jīng)在小鼠的特定腦區(qū)鑒別出數(shù)百種細胞，但如此眾多的細胞類型和腦區(qū)如何演化，僅僅依靠對小鼠大腦的研究顯然無法解決。

在4項***新研究中，多個國家的研究團隊分別對爬行動物和兩棲動物大腦的細胞類型演化進行了深入探索。

在其中一項研究中，來自馬斯克?普朗克大腦研究所的團隊選擇的研究對象是鬃獅蜥（Pogona vitticeps）。借助單細胞RNA測序技術，他們創(chuàng)建了這種爬行動物的全腦細胞圖譜，并且在與小鼠腦細胞圖譜的對比中，顛覆了哺乳動物大腦演化的一個核心觀點。

此前的研究普遍認為，由于哺乳動物由爬行類演化而來，因此哺乳動物的大腦應該以爬行類的基本特征為主，并輔以一些新的特征。

▲研究團隊對不同脊椎動物的神經(jīng)元演化開展了轉(zhuǎn)錄組學分析

但在***新研究中，通過對高分辨率圖譜的對比，研究團隊觀察到幾乎所有腦區(qū)的細胞類型都存在差異。在保守的腦區(qū)中，同樣存在全新的細胞類型。保守與創(chuàng)新細胞類型的共存說明，腦細胞類型在演化上具有可塑性。因此，爬行動物與哺乳動物在共同祖先的基礎上，各自獨立演化出自身的神經(jīng)元與神經(jīng)回路特征。

同期的另外兩篇論文共同研究了一種神奇的兩棲動物：美西鈍口螈（Ambystoma mexicanum）。這種蠑螈是動物研究中的當紅明星，它們因脊椎、心臟與四肢能夠再生而。更夸張的是，它們不僅能形成新神經(jīng)元，連大腦都具有一定的再生能力。

美西鈍口螈（以下簡稱蠑螈）的大腦是如何再生的？為什么它們的再生能力如此強大？這些研究對蠑螈的大腦進行了單細胞轉(zhuǎn)錄組學分析。

其中，來自瑞士和奧地利的研究團隊探索的問題是，蠑螈能否再生出大腦中的所有細胞類型，包括腦區(qū)間的連接。

這項研究利用單細胞RNA測序繪制了蠑螈大腦的細胞類型圖譜，從而明確了其中的所有細胞類型，包括不同類型的神經(jīng)元、祖細胞等。一個出人意料的發(fā)現(xiàn)是，在祖細胞分化為成熟的神經(jīng)元的過程中，大量祖細胞會經(jīng)歷一個中間階段：成神經(jīng)細胞，而這種細胞此前被認為是蠑螈不具備的。

隨后，研究團隊切除了蠑螈大腦的一部分，從而測定大腦再生過程中產(chǎn)生的新細胞類型。結(jié)果，所有被切除的細胞類型都得到了恢復、被切斷的神經(jīng)元連接也重新連接，這意味著再生區(qū)域的原始功能可以重新恢復。

▲蠑螈大腦的結(jié)構(gòu)、保守性與神經(jīng)再生過程

而在與哺乳動物的對比中，蠑螈的腦細胞與哺乳動物的海馬體、嗅覺皮層表現(xiàn)出高度相似性，其中一種細胞類型甚至與哺乳動物的新皮層具有相似性（哺乳動物具有6層新皮層，兩棲動物則不具備這一結(jié)構(gòu)）。這些發(fā)現(xiàn)說明，上述腦區(qū)在演化中具有保守性，或者各自演化出相似的特征；而哺乳動物的新皮層可能擁有來自兩棲動物腦部的祖先細胞。

另一項由杭州華大生命科學研究院主導的研究，揭示了蠑螈具有強大再生能力的關鍵線索。作者分析了蠑螈的大腦發(fā)育和再生過程，并構(gòu)建了***蠑螈腦再生時空圖譜。

在造成皮層區(qū)域損傷后，研究團隊觀察了蠑螈大腦從損傷到再生修復的過程，并且從中找到了關鍵的細胞變化。傷口區(qū)域很早就出現(xiàn)了新的神經(jīng)干細胞亞群，它們由附近的其他神經(jīng)干細胞亞群受刺激后轉(zhuǎn)化而來，并在后續(xù)的再生過程中新生出神經(jīng)元，以填補損傷部位缺失的神經(jīng)元。

▲時空圖譜展示了蠑螈大腦的發(fā)育與再生過程

研究團隊還對比了蠑螈大腦分別在發(fā)育與再生過程中的神經(jīng)元形成，發(fā)現(xiàn)這兩個過程高度相似。因此研究猜測，這或許是腦損傷誘導了蠑螈神經(jīng)干細胞逆向轉(zhuǎn)化，回到發(fā)育時期的年輕化狀態(tài)，以啟動再生過程。

***后一項研究由哥倫比亞大學的研究團隊領銜。此前的研究告訴我們，脊椎動物認知功能的演化與前腦的兩項關鍵創(chuàng)新有關：哺乳動物的6層新皮層，以及蜥形類（包括爬行動物與鳥類）的背側(cè)室嵴。但它們的產(chǎn)生過程并不清楚。

***新研究建立了歐非肋突螈（Pleurodeles waltl）大腦的細胞類型圖譜，與其他四足動物的對比顯示：蜥形類的一部分背側(cè)室嵴的出現(xiàn)，要追溯到四足動物祖先；相反，這些歐非肋突螈卻不具備哺乳動物新皮層的細胞與分子特征。由此，這些發(fā)現(xiàn)為兩項創(chuàng)新的出現(xiàn)提供了重要線索。

對于這4項研究，同期的觀點文章點評道：“這些文章均產(chǎn)生了大量單細胞數(shù)據(jù)集，并通過對已有公開數(shù)據(jù)的挖掘，展示了數(shù)據(jù)分享的重要性，以及積累來自不同物種的單細胞數(shù)據(jù)、用于比較演化過程的力量。”