摘要：当人们提到高智商动物时，通常会想到灵长类，比如猴子、猩猩，或宠物狗以及海豚。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。这听起来或许有点不可思议，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
当人们提到高智商动物时，通常会想到灵长类，比如猴子、猩猩，或宠物狗以及海豚。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。这听起来或许有点不可思议，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，共同揭开了这场跨越3.2亿年的大脑神经元演化之谜。相关论文发表于国际学术期刊《发育细胞》（Developmental Cell）。
Developmental Cell 文章截图
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：如何适应陆地环境，以及在陆地上找到食物、躲避危险、寻找伴侣，鸟类更是需要适应长时间飞行迁徙的特殊生活方式。为了解决这些问题，动物们不得不重构脑的结构、神经元组成和功能。从此，大脑的进化进入了快车道。
爬行动物、鸟类和哺乳类等在这个过程中各自摸索出不同的生存智慧。哺乳类用六层新皮层构建起高级认知的结构基础，而鸟类虽然没有类似结构，却靠着更密集的神经元和特殊的核团组织，拥有了媲美灵长类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？
在本研究中，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。而进一步分析表明，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。
文章主体结果与核心发现
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，此前有推测认为可能与它们适应飞行等相关。本研究首次在鸟类小脑中鉴定出SVIL+浦肯野细胞亚型，其基因表达谱显著区别于哺乳类的ALDOC+和PLCB4+亚型。该亚型富集与学习记忆和昼夜节律调控相关的通路基因，并表达大量正选择的基因，提示鸟类小脑可能通过基因演化逐步适应飞行等行为。进一步分析显示，SVIL+浦肯野细胞具有独特的共表达模块，可能与鸟类特殊的生态行为特化密切相关。这些发现为理解小脑功能在物种适应性进化中的特异性演化模式提供了关键证据。
文章中推断的小脑浦肯野细胞亚型演化模式
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，发现了一个现象：20%-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）。
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”。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。
本研究属于MBMC（Mesoscopic Brain Mapping Consortium）脑科学专辑系列文章之一，该专辑由介观脑图谱国际联盟主导，汇聚全球科学家跨学科的力量。目前已通过系列突破性研究从脑图谱、脑疾病、脑发育和脑演化四大维度构建了系统性研究框架。目前专辑系列文章已经陆续发表在Cell、Science及其子刊等国际学术期刊。
本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（entropy-scGCN），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。
研究成果不仅为揭示大脑复杂功能的演化起源提供了分子基础，开放共享的数据平台（https://db.cngb.org/cdcp/absna/）更将成为全球科学家深度挖掘脑演化规律的重要资源，同时本研究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。
华大生命科学研究院刘石平研究员、徐讯研究员，中国科学院深圳先进技术研究院Robert K. Naumann研究员，郑州大学王振龙教授，中国科学院脑科学与智能技术卓越中心徐春研究员为共同通讯作者。华大生命科学研究院陈铎元副研究员、庄镇堃博士、研究生黄韵琪，郑州大学研究生黄茂林为本文共同第一作者。该研究获国家重点研发计划、介观脑图谱国际联盟等专项支持。
来源：华大集团BGI