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(xué)》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(guān)鍵創(chuàng)新，講述了那些前所未聞的大腦演化故事。

    以往，科學(xué)家在研究脊椎動物大腦演化時，關(guān)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(xì)胞層面，聚焦不同細(xì)胞類型在大腦演化中扮演的角色。

    這些關(guān)鍵突破的出現(xiàn)，離不開單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的發(fā)展。過去幾年，科學(xué)家已經(jīng)在小鼠的特定腦區(qū)鑒別出數(shù)百種細(xì)胞，但如此眾多的細(xì)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(tuán)隊分別對爬行動物和兩棲動物大腦的細(xì)胞類型演化進(jìn)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(tuán)隊選擇的研究對象是鬃獅蜥（Pogona vitticeps）。借助單細(xì)胞RNA測序技術(shù)，他們創(chuàng)建了這種爬行動物的全腦細(xì)胞圖譜，并且在與小鼠腦細(xì)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(rèn)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(yīng)該以爬行類的基本特征為主，并輔以一些新的特征。

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

但在***新研究中，通過對高分辨率圖譜的對比，研究團(tuán)隊觀察到幾乎所有腦區(qū)的細(xì)胞類型都存在差異。在保守的腦區(qū)中，同樣存在全新的細(xì)胞類型。保守與創(chuàng)新細(xì)胞類型的共存說明，腦細(xì)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(chǔ)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(dāng)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(qiáng)大？這些研究對蠑螈的大腦進(jìn)行了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析。

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

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

隨后，研究團(tuán)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(xì)胞類型。結(jié)果，所有被切除的細(xì)胞類型都得到了恢復(fù)、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(fù)。

▲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(xì)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(xì)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(xì)胞。

另一項由杭州華大生命科學(xué)研究院主導(dǎo)的研究，揭示了蠑螈具有強(qiáng)大再生能力的關(guān)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(tuán)隊觀察了蠑螈大腦從損傷到再生修復(fù)的過程，并且從中找到了關(guān)鍵的細(xì)胞變化。傷口區(qū)域很早就出現(xiàn)了新的神經(jīng)干細(xì)胞亞群，它們由附近的其他神經(jīng)干細(xì)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(tuán)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(dǎo)了蠑螈神經(jīng)干細(xì)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(xué)的研究團(tuán)隊領(lǐng)銜。此前的研究告訴我們，脊椎動物認(rèn)知功能的演化與前腦的兩項關(guān)鍵創(chuàng)新有關(guān)：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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)胞數(shù)據(jù)、用于比較演化過程的力量?！?/p>