近日，中国科学院昆明动物研究所宿兵团队，联合华大生命科学研究院刘石平团队、辽宁师范大学逄越团队，在 Science 杂志在线发表了题为「Lamprey 3D single-cell transcriptomics reveals ancestral and specialized features of the vertebrate brain」的封面论文。
从鱼类到人类，脊椎动物都拥有高度复杂的脑结构。然而，这种复杂脑究竟起源于何时、最早具备哪些关键特征，一直是演化生物学和神经科学关注的核心问题。相较于无脊椎脊索动物（如文昌鱼、海鞘）相对简单的脑泡结构，脊椎动物在约 5 亿年前演化出了高度区域化、细胞类型多样化的复杂脑。这一飞跃为脊椎动物的行为与认知复杂化以及环境适应提供了关键物质基础。然而，许多围绕脊椎动物复杂脑起源与演化的根本问题长期悬而未决：在五亿年前的脊椎动物共同祖先中，复杂脑的基本构架究竟成型到何种程度？哪些细胞分子特征在脊椎动物共同祖先已经出现？又有哪些是不同脊椎动物类群发生的谱系创新？
七鳃鳗（lamprey）作为现存圆口纲无颌类动物的代表之一，约于 4.5 亿年前与有颌类分化，其核心形态特征在化石记录中保持了长达 3.6 亿年的高度稳定。七鳃鳗处于脊椎动物演化树的关键位置，是研究脊椎动物祖先状态的重要模式物种。通过对七鳃鳗脑的深入解析，可以最大程度重建脊椎动物脑的祖先状态。然而，过去的研究始终面临一个两难问题：经典神经解剖学能看清脑和细胞的形态，却读不出每个细胞的分子身份；传统的单细胞测序能识别细胞类型，却丢失了细胞在脑中的空间位置信息。更为关键的是，缺乏跨脊椎动物不同谱系的系统比较，使得「哪些特征是祖先蓝图」，「哪些特征是后来的谱系特化」始终无法分清。
成体雷氏七鳃鳗 (Lethenteron reissneri）
研究团队将 Stereo-seq 空间转录组技术与单细胞核 RNA 测序（snRNA-seq）相结合，构建了首个无颌类脊椎动物全脑 3D 空间单细胞图谱，覆盖 40 张连续脑切片、46 万余个细胞和 14 个主要脑区，解析出 209 种细胞类型和状态。发现脊椎动物共同祖先已具备高度区域化的脑结构与多样化的细胞类型；与此同时，与斑马鱼、蜥蜴、龟、鸽子、小鼠、猕猴等代表性脊椎动物的跨物种比较研究，首次揭示了脊椎动物神经元在演化中「兼职」与「专职」两种不同的演化模式，并为脊椎动物小脑结构的早期起源提供了新证据。
七鳃鳗全脑 3D 空间单细胞图谱构建与主要发现
七鳃鳗全脑高分辨率 3D 空间单细胞图谱的构建
研究团队采用具有纳米级分辨率的 Stereo-seq 技术，对成体雷氏七鳃鳗全脑进行了系统的连续矢状切片采集，覆盖整个脑组织，为七鳃鳗全脑绘制了一组「高清细胞身份地图」，既标定了每个细胞的空间位置，也抓取了每个细胞的基因表达谱。最终基于 40 个切面的芯片数据，获得来自 465,778 个细胞的高质量空间转录组数据。
通过对空间转录组分子表达特征与 HE 染色图的解剖学特征进行整合，研究团队精确划分出 14 个脑区（包括端脑、嗅球、原始海马、纹状体、丘脑、下丘脑、松果体、缰核、中脑、小脑样结构、延髓等），并基于基因表达谱将所有细胞聚类得到 209 个细胞簇。利用 775 个脊椎动物保守转录因子（TFs）的表达谱构建了七鳃鳗脑中细胞类型的层级树。研究结果显示，有颌类脊椎动物中绝大多数主要细胞类型在七鳃鳗脑中存在，提示脑区域化与细胞类型分化在脊椎动物共同祖先中已经出现。进一步地，通过 snRNA-seq（41,678 个高质量核）与空间转录组数据的整合，研究人员建立了七鳃鳗脑高保真、区域特异性的转录图谱。这是国际上第一个无颌类脊椎动物脑的 3D 图谱，通过数据库构建，其可视化脑图谱数据已经上线 CNGB 数据库，供全球科研人员使用（https://db.genomics.cn/stomics/lbspa/）。
七鳃鳗全脑单细胞图谱构建流程与 3D 脑图谱概览
七鳃鳗脑单细胞 3D 转录组图谱重构图示
脊椎动物脑跨越五亿年演化历程的「变」与「不变」
为揭示脊椎动物脑的祖先组织蓝图，研究团队系统比较了七鳃鳗与小鼠的三维 Stereo-seq 数据和 snRNA-seq 数据。研究发现，脊椎动物脑演化呈现「高度保守与持续创新并存」的特征。首先，两个物种在脑区水平上的转录组保守性远超预期，尤其在菱脑（主要包含延髓）和间脑等区域呈现广泛的分子保守性，覆盖嗅球、纹状体、丘脑、下丘脑等多个亚区。例如，七鳃鳗嗅球与小鼠嗅球同样具备典型的分层结构（内层为抑制性颗粒细胞，外层为兴奋性神经元）；七鳃鳗菱脑保留了与有颌类一致的 HOX 分节框架，并在该区域内鉴定出与哺乳动物蓝斑高度同源的细胞群。换句话说，脊椎动物脑的主体框架和主要区域，在过去 5 亿年演化过程中几乎没怎么改变。这些经历五亿年不变的保守特征可能支撑了脊椎动物最基本的神经环路与行为功能。
在广泛保守的背景下，研究团队同时识别出部分脑区在物种间的显著差异，例如七鳃鳗端脑的大多数神经元类型与小鼠皮层细胞同源，但其空间组织模式非常不同。此外，研究团队还在七鳃鳗中识别出多个有颌类所没有的特殊细胞类型，包括中脑视觉处理中心的中脑神经元（MidNeurons）、以及后脑网状结构中的巨大穆勒细胞（Müller cell）。这些大型细胞因体积异常巨大、丰度极低，在以往单细胞研究中均被遗漏。上述结果则进一步反映了在漫长演化历史中，不同脊椎动物类群为适应特殊环境而演化出了谱系特化的特征。
脊索动物代表类群的系统进化树与对应的脑结构示意图（A），以及脑演化过程在宏观、介观和微观层面的核心创新机制（B）
跨脊椎动物谱系的神经元特化：从「兼职」到「专职」的演化转折
为系统揭示脊椎动物脑的演化轨迹，研究团队又对成体斑马鱼进行了 snRNA-seq 测序和 Stereo-seq 测序，并将七鳃鳗、斑马鱼数据与已发表的猕猴、小鼠、斑胸草雀、鸽子、龟、蜥蜴等代表性羊膜动物数据进行系统整合。利用 13,172 个保守同源基因，系统对齐了这些脊椎动物物种神经元的基因表达谱和亚类划分。
整合分析揭示了一个出人意料的神经元演化图景。脊椎动物中存在两类截然不同的神经元：一类是分别表达兴奋性或抑制性分子标记且功能特化的「经典」神经元，即兴奋性神经元和抑制性神经元；另一类是同时共表达兴奋性标记基因（SLC17A6/7/8）和抑制性标记基因（GAD1/2）的「混合」神经元，且这类神经元主要在七鳃鳗和斑马鱼这些非羊膜类动物中显著富集，被命名为 AEN（anamniote-enriched neuron）神经元，可形象地理解为兼具双重分子特征的「兼职神经元」。与此对应，羊膜动物中特化神经元类群显著扩张，兴奋性和抑制性神经元谱系的转录组差异非常明确。研究团队推断，在演化过程中，脊椎动物的神经元在不同谱系经历了不同的演化模式。从斑马鱼开始，有颌类脑中已经出现功能特化的「专职」神经元，在后续脊椎动物演化过程中，这类「专职」神经元逐渐成为脑中的主要神经元类型；而在羊膜动物（爬行类、鸟类和哺乳类）中， AEN 神经元则显著减少，在哺乳类中几乎消失，被具有特异基因表达谱和功能特征的神经元亚群所取代。
那么，是什么原因驱动了这种神经元功能专门化的过程呢？
研究团队进一步提出，神经元功能特化可能与脊椎动物演化过程中发生的第二轮全基因组复制（2R）有关。当前主流假说认为 2R 发生于无颌类与有颌类分化之后；关键神经元身份基因（包括 SLC17、GAD 和 SNCG 家族）正是在 2R 期间扩张为多个旁系同源拷贝。一个直观的例子，七鳃鳗中 SLC17A6/7/8 单拷贝基因呈现广泛的全脑神经元表达，而哺乳动物（例如小鼠）的旁系同源拷贝则呈现明显的空间分化：Slc17a6 在后脑和中脑更多表达，而 Slc17a7 则更多在前脑中表达。这些发现提示，2R 可能是有颌类细胞类型空间特化和功能多样化的关键驱动力。祖先脊椎动物脑可能依赖于「广泛共表达」的「兼职」AEN 类群，随后在羊膜动物中被离散的、谱系特化的细胞类型所替代，完成了从「兼职」到「专职」神经元组织策略的演化转变，从而有助于提高神经网络的复杂度和可塑性。
无颌类与有颌类脊椎动物在演化中发生分歧的细胞空间定位与基因表达差异
脊椎动物小脑结构何时起源？
该研究为长期争论的「小脑何时起源」问题提供了新的分子证据。小脑由颗粒细胞和浦肯野细胞等中间神经元共同定义，所有现存有颌类脊椎动物均呈现保守的层状小脑组织。然而，七鳃鳗这样的无颌类到底有没有小脑？这个问题在比较神经解剖学界存在长期争议。为解答这一关键问题，研究团队基于既往神经解剖学描述，在七鳃鳗脑中识别出一个推定的「小脑样区域」，并与具有典型分层小脑结构的斑马鱼进行了系统比较。
在形态上七鳃鳗小脑样区域缺乏明显的分层组织，但在分子层面的结果却令人意外：研究团队识别出一个特异细胞簇，其转录组特征与斑马鱼小脑中间神经元高度相似，即高表达 GABA 能相关基因（如 SLC32A1 和 GAD1B），但仅稀疏表达经典浦肯野细胞标志物（如 ALDOCA 和 GRID2）。整合小鼠小脑发育 scRNA-seq 谱系数据发现，成体七鳃鳗小脑样区域显示出与小鼠小脑早期发育的转录组相似性。这些结果提示七鳃鳗小脑样区域保留了一个弥散的、未特化的中间神经元样祖先构架，先于成熟浦肯野细胞和复杂分层组织的出现。
结合 AEN 中的颗粒样细胞的进一步分析，研究团队发现在斑马鱼中 Gran.1 基因模块精确定位于小脑颗粒层，而在七鳃鳗中所有模块缺乏区域分隔、呈现弥散且空间上无区域化的分布。因此，七鳃鳗并非完全缺乏小脑，而是可能已经存在一个弥散分布、以类小脑中间神经元为主导的「原始小脑雏形」。这一雏形小脑结构可能代表脊椎动物祖先的小脑状态，为后续有颌类层状精细化小脑结构的演化奠定了基础。
不同物种的小脑结构特征（A）和七鳃鳗的「小脑样结构」（B）
结论与展望
通过构建首个无颌类（七鳃鳗）全脑 3D 空间单细胞转录组图谱，并整合多个脊椎动物谱系的跨物种数据，该研究系统揭示了脊椎动物脑演化的双重逻辑：一方面是「保守」，脊椎动物共同祖先已经具备高度区域化和复杂分子表达谱的脑结构，在脑区组织、主要细胞类型和核心调控程序上呈现高度保守性；另一方面则是「创新」，无颌类与有颌类之间出现了显著的谱系特异性的分化，包括「兼职」的 AEN 神经元类型和功能特化的「专职」神经元类型。针对小脑起源这一长期争议，研究发现，七鳃鳗可能拥有一个以中间神经元为主导的雏形小脑架构，提示小脑相关神经元特化在脊椎动物共同祖先中已经出现。
该研究表明，脊椎动物共同祖先可能已经具备高度区域化的脑组织框架和多样化的细胞类型，而后续 5 亿年的演化则主要表现为细胞类型、空间组织和功能分工的持续创新。该研究不仅重建了脊椎动物脑演化的重要祖先状态，也为理解复杂脑结构的形成机制提供了新的演化视角。随着空间组学与单细胞技术的发展，研究团队构建的七鳃鳗脑 3D 图谱将成为研究脊椎动物脑演化的重要参考资源，为解析神经系统复杂性起源提供新的基础数据平台。
以上研究 2026 年 6 月 18 日在线发表于 Science（论文链接：https://doi.org/10.1126/science.aea2535）。中国科学院昆明动物研究所博士研究生吴海旭、杭州华大生命科学研究院副院长陈铎元、辽宁师范大学李军副教授、华大生命科学研究院博士研究生周涛和庄镇堃副研究员为该文章共同第一作者；中国科学院昆明动物研究所宿兵研究员、华大生命科学研究院刘石平研究员、辽宁师范大学逄越教授为该文章共同通讯作者。该工作获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、云南省、浙江省、广东省、杭州市等的项目资助。
原文链接： https://doi.org/10.1126/science.aea2535
