乌龟和蜥蜴大脑血液的脑力进化

在龟背皮层（右侧）的乌龟三层皮质（左）和不同类型的神经元的快照。神经元用荧光原位杂交标记，用于两种神经元类型中表达的两个基因。© mpi f。大脑研究

我们的脑皮质，一张神经元，连接和电路，包括“古代”地区，如海马和“新”区域，如六层“Neocortex”，只发现在哺乳动物和最突出的人类中。但是，当在演变时，出现了脑皮层的组分，它们是如何发展的？法兰克福Max Planck大脑研究所的科学家们在乌龟和蜥蜴皮层的神经元中研究了基因表达，并发现与哺乳动物皮质的意想不到的相似性和差异。这些结果是重建脊椎动物的演变的里程碑。

我们在许多方面，我们的脑皮质。其电路有助于塑造我们对世界的看法，存储我们的记忆并计划我们的行为。脑皮质与其典型的分层组织，仅在哺乳动物（包括人类）和非禽类爬行动物等哺乳动物中发现，如蜥蜴和龟。哺乳动物，爬行动物和鸟类源自一个共同的祖先，这些祖先生活在3200万年前。神经科学家认为，这种祖先具有三层小皮质，因为今天在哺乳动物的海马和所有的现代爬行动物的海马中发现了类似的结构：这三层皮质可能对应于他们的共同祖先皮质。

通过将当今爬行动物的皮质与今天哺乳动物的旧的和新的皮质（如海马和Neocortex分别）进行比较，我们可以搜索相似性，潜在的祖先的特征和差异 - 由他们的独立演变而导致 - 因此重建主要皮质进化的特征。直到现在，基于发展和解剖特征至今是比较。这项新的研究基于史式爬行动物神经元的分子表征提供了前所未有的数据，以帮助重建皮质进化。

几十年来，爬行动物和哺乳动物大脑之间的解剖差异导致了对皮质演化的许多争议。人们认为爬行动物脑的这部分是对应于哺乳动物大脑的那部分，或者在哺乳动物Neocortex中发现的许多层也实际上也存在于爬行动物中，但以传统方法无法检测到的形式。Gilles Laurent和他在Max Planck大脑研究所的小组采取了不同的方法，并专注于构成皮质电路的无数神经元类型的分子表征。

转录组测序

神经元“类型”在其形态，神经递质，连接和功能性等方面不同。这些特征均来自不同基因组的表达;因此，通过测量它们含有的信使RNA分子（它们的“转录组”），可以通过测量（或键入）分类（或键入）。玛丽亚Antonietta Tosches是本研究的第一个作者，她的同事在使用专门的微流体平台捕获它们的微观水滴后，在捕获它们之后测序龟和蜥蜴细胞的转录om。

使用这些基因表达曲线，科学家可以分类成千上万的神经元。从每种类型，它们可以识别诊断标记基因，并使用它们来评估大脑中细胞类型的位置。想象一下皮质的图片，直到那么均匀，突然转变为彩色区域的拼贴画，每个区域包含一个或几种特征细胞类型。

该作者现在可以直接比较爬行动物的分子图与哺乳动物大脑的那些，找到一对一的对应关系，甚至在3.2亿年前的共同祖先的大脑上汲取假设（现在已灭绝）。

被迫折叠

“我们的结果澄清了我们对爬行动物大脑的理解，因此脑力学的理解”，Tosches说。这些新的分子图显示，例如，该爬行动物具有与哺乳动物海马中发现的那些对应的神经元类型，该结构涉及空间取向的结构和记忆的形成。在爬行动物中，海马被发现朝向大脑的中心，但与其折叠哺乳动物对应物不同，看起来像一张纸。“就好像在早期的哺乳动物中，祖先海马被越来越多的新态度推动并被迫折叠自身，以获取其签名哺乳动物建筑”，劳伦斯增加。

相比之下，非海马爬行动物皮层揭示了哺乳动物Neocortex的错综复杂的历史。例如，抑制神经元在爬行动物和哺乳动物中表达类似的基因，表明常见的血统。然而，兴奋性神经元在这两组上大大不同。“哺乳动物六层新皮质是古代和新神经元类型的迷人马赛克”，Tosches说。科学家们现在可以指出哺乳动物Neocortex的真正新奇，即在基因表达计划的深刻变化后新型兴奋神经元的出现。

这项研究开辟了许多新问题。古代神经元类型在爬行动物和哺乳动物皮质电路中具有相同的功能吗？这些分子相似性和差异可以告知我们脑功能和动物行为的演变吗？“从这些新的分子图探索有很多更多的探索”Laurent说：“这仅仅是个开始”。

出版物：Maria Antonietta Tosches等，“爬行动物中单细胞翻译组织的钯，海马和皮质细胞类型的演变，”Science，2018年5月03日：eaar4237; DOI：10.1126 / science.aar4237.