转自：中国科学报

当人们提到高智商动物时，通常会想到猴子、猩猩、海豚等。但你知道吗，鸽子或麻雀等鸟类，其实也展现出了媲美灵长类的工具使用和社会认知能力。但最新的科学研究显示，鸟类、哺乳类甚至龟类的大脑在过去3.2亿年里，经历了一场精彩的演化历程，走出了截然不同但又殊途同归的智慧发展之路。

5月13日，华大生命科学研究院联合中国科学院深圳先进技术研究院、郑州大学生命科学学院、中国科学院脑科学与智能技术卓越中心等机构的最新研究发表于《发育细胞》，共同揭开了这场跨越3.2亿年的大脑神经元演化之谜。

动物如何适应陆空环境？脑子是关键

3.2亿年前，当脊椎动物第一次离开水域来到陆地生活时，它们面对的是全新的挑战：如何在陆地的复杂环境中导航、觅食、避险？鸟类更是需要适应长时间飞行迁徙的特殊生活方式，这些问题迫使动物大脑加速进化。哺乳类发展出了六层新皮层作为高级认知的结构基础，而鸟类虽然没有类似结构，却通过更密集的神经元和特殊的核团组织，拥有了与灵长类相似的工具使用和社会认知能力。

那么，基因组如何通过分子层面的影响，在迥异的解剖结构下演化出相似的复杂功能？

在该研究中，研究团队利用华大自主研发的超高通量测序平台DNBSEQ-T10、单细胞测序平台DNBelab C4和时空组学技术Stereo-seq，对中华软壳龟、斑胸草雀、鸽子的端脑和小脑进行测序分析，并与已公开的小鼠、猕猴全脑图谱数据进行整合，共构建了羊膜类五个代表物种共130万个细胞的跨物种单细胞图谱。该图谱首次通过多组学结合角度系统揭示了爬行类、鸟类与哺乳类大脑细胞类型的保守性与多样性演化规律。

研究发现，鸟类与哺乳类在端脑兴奋性神经元中呈现出显著的基因表达差异。鸟类的兴奋性神经元在全脑范围普遍表达SLC17A6基因，而哺乳类新皮层神经元特异性表达它的同源基因SLC17A7，其他脑区则保留SLC17A6的表达，龟类大脑大部分区域则同时表达这两个基因。

以上结果暗示SLC17A7可能在鸟类演化过程中发生功能丢失。进一步分析表明，SLC17A6/7两个同源基因编码的跨膜蛋白在关键结构域存在微小突变，可能导致蛋白跨膜构象差异，这一发现为解释鸟类高密度神经元中，谷氨酸递质释放的特异性提供了线索。

大脑细胞多样性的“基因工具箱”

鸟类的小脑占全脑的比例较高，细胞类型的复杂程度也相对较高，这一现象长期被认为与飞行适应有关。研究团队首次在鸟类小脑中鉴定出SVIL+浦肯野细胞亚型，与哺乳类的ALDOC+和PLCB4+亚型的基因表达不同，该亚型富集与学习记忆和昼夜节律调控相关的通路基因，提示鸟类小脑可能通过基因演化逐步适应飞行等行为。

那么，这些大脑细胞类型的差异是如何产生的呢？研究团队创新地将基因家族序列的“演化史”和单细胞类群的表达情况结合起来分析，他们发现，有20%至35%在不同物种间表现各异的神经元基因，可以追溯到羊膜动物（包括爬行动物、鸟类和哺乳类等）祖先时期发生的一些基因“复制粘贴”事件（基因家族扩增与复制）。

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“这就像是在漫长的进化过程中，动物的‘基因工具箱’不断扩充。虽然一些负责总体规划的‘设计师基因’（转录因子）在不同物种间高度保守，保持着细胞大类的功能稳定，但另一些基因则在各自的进化道路上被‘精心打磨’（经历正选择等），从而表现出显著的个性化特征。”论文共同第一作者、华大生命科学研究院副研究员陈铎元介绍，正是这种“转录因子保守调控框架+物种特异性基因分化”的双轨演化机制，驱动了不同动物大脑细胞类型的多样化发展。

该研究聚焦脑演化方向，通过跨物种单细胞与空间多组学整合分析，首次在时空维度解析了羊膜动物脑细胞类型的演化轨迹。团队优化开发的熵优化单细胞图谱比对模型，突破了远缘物种细胞类型映射的技术瓶颈，精准识别了爬行类、鸟类与哺乳类间的同源和分化的细胞亚型。

“该研究不仅为揭示大脑复杂功能的演化起源提供了分子基础，构建的从分子到细胞再到结构的时空法则研究范式，更可延伸至全生命树尺度，解析不同演化节点物种的脑结构和功能机制，将能系统重构从原始神经结构到高等认知中枢的复杂性起源，为揭示生命智慧涌现的底层规律建立全新研究方向。”论文共同通讯作者、华大生命科学研究院研究员刘石平表示。

据了解，该研究的相关数据已开放共享，科学家们可以通过共享平台深度挖掘脑演化规律。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.devcel.2025.04.014