科学:脊椎动物前脑进化的创新是通过分析蝾螈的细胞类型来确定的

来源：100医疗网原创2022-09-06 17336041

在脊椎动物进化过程中，最早从水中过渡到陆地的四足动物面临着新的环境挑战，它们需要神经系统的适应性创新。

在脊椎动物进化过程中，最早从水中过渡到陆地的四足动物面临着新的环境挑战，它们需要神经系统的适应性创新。这些创新体现在哺乳动物和蜥蜴(爬行动物和鸟类)的六层新皮层和背侧室嵴(DVR)中。新皮层和背侧室嵴在基因表达、连接性和功能上广泛相似，因此被认为是同源的。然而，最近的发展和成人基因表达数据挑战了这一观点，表明相似的分子和功能属性可能是由趋同进化产生的，而不是由共同起源产生的。根据这一观点，哺乳动物的新皮层和蜥脚类动物的背侧室嵴起源于大脑皮层(大脑皮层)的不同部分：新皮层来自于羊膜动物的祖先背侧大脑皮层(DP)的简单三层皮层的扩展，DVR来自于腹侧大脑皮层(VP)的扩展。

如果新皮层和背侧脑室嵴具有独立的进化起源，那么它们可能可以追溯到存在于羊膜前动物祖先中的不同大脑皮层区域。两栖动物在超过3.5亿年前从其他四足动物中分化出来，因此它们可以为四足动物大脑的进化史提供关键的见解。两栖类端脑比较小，解剖结构简单，没有明显的细胞核或分层，有利于整体结构的分析。在一项新的研究中，来自哥伦比亚大学和美国其他研究机构的研究人员使用一种蝾螈物种——Pleurodeles waltl，它具有真正变形的成体阶段，来研究两栖动物的神经元类型是否与转录组中来自新皮层或背侧脑室脊的神经元类型相似，探索它们的发育轨迹，并描述广泛的连接模式。相关研究成果发表在2022年9月2日的《科学》杂志上，题目是《垂直大脑进化中的蝾螈身份创新中的细胞类型剖析》。

使用单细胞RNA测序(scRNA-seq)，这些作者建立了蝾螈端脑的细胞类型图，并揭示了47簇谷氨酸能神经元和67簇-氨基丁酸能神经元-复杂性和多样性高于预期。然后，使用传统的组织学和杂交链式反应原位杂交技术，他们绘制了透明大脑中选定簇的标记基因的表达。这导致了蝾螈大脑的三维分子图，显示了不同大脑皮层区域沿中轴和径向轴的分布。为了描述这些神经元的发育历史，他们在幼新叶蜂大脑的四个发育阶段进行了scRNA-seq。他们发现每个大脑皮层区域都有不同的发育轨迹，表明不同的遗传程序决定了蝾螈的背侧大脑皮层和腹侧大脑皮层。为了比较四足动物的端脑神经元类型，他们对成年蝾螈、爬行动物(蜥蜴和乌龟)和哺乳动物的scRNA-seq数据采用了流形整合算法。

重建脊椎动物端脑神经元类型的进化。图片来自Science，2022，doi :10.1126/Science . ABP 9186。

蝾螈的腹侧大脑皮层与爬行动物的前背侧室嵴具有分子相似性，而背内侧大脑皮层与哺乳动物的海马、内嗅皮层和下托的神经元具有分子相似性，但与新皮层的神经元没有分子相似性。这表明蝾螈的背侧大脑皮层缺乏哺乳动物新皮层的细胞和分子特征，而更类似于哺乳动物新皮层和海马之间的皮层区域。最后，他们确定了四足动物物种之间的这些分子相似性是否反映在中尺度连接模式中。他们证实了蝾螈腹侧大脑皮层的连接模式部分类似于爬行动物的前背侧脑室嵴，而哺乳动物的嗅觉-嗅觉-海马回路的组成部分存在于蝾螈的外侧、背侧和内侧大脑皮层。

综上所述，这些发现表明蜥脚类动物的前背侧脑室嵴至少由两组进化起源不同的神经元类型组成。一组可以追溯到四足动物祖先的腹侧大脑皮层的一个特殊区域，另一组则是蜥脚类动物的创新。此外，这些作者提出，哺乳动物的六个新皮层中的锥体神经元类型是进化中的一种创新，是由决定祖先类型的基因调控程序的改变而产生的。这些发现证实了前背侧室嵴和新皮层之间的功能相似性是趋同进化而不是同源性的结果的假设。然而，哺乳动物的嗅觉-嗅觉-海马回路可能可以追溯到一个更简单的回路，它存在于四足动物的最后一个共同祖先中。(100yiyao.com)

参考资料：

杰米沃奇等人。科学，2022，doi :10.1126/science . ABP 9186。

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