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研究顯示，鳥類、哺乳類甚至龜類的大腦在過去3.2億年里，經(jīng)歷了一場精彩的大腦神經(jīng)元演化歷程，走出了截然不同但又殊途同歸的智慧發(fā)展之路。5月13日，這項由華大生命科學研究院聯(lián)合中國科學院深圳先進技術(shù)研究院、中國科學院腦科學與智能技術(shù)卓越中心等機構(gòu)共同完成的研究發(fā)表于《發(fā)育細胞》。

3.2億年前，當脊椎動物第一次離開水域來到陸地生活時，面對的是全新挑戰(zhàn)——如何在陸地的復(fù)雜環(huán)境中導航、覓食、避險？這些問題迫使動物大腦加速進化。哺乳類發(fā)展出6層新皮層作為高級認知的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，而鳥類雖然沒有類似結(jié)構(gòu)，卻通過更密集的神經(jīng)元和特殊的核團組織，擁有了與靈長類相似的工具使用和社會認知能力。

那么，基因組如何通過分子層面的影響，在迥異的解剖結(jié)構(gòu)下演化出相似的復(fù)雜功能？

在該研究中，研究團隊利用華大自主研發(fā)的超高通量測序平臺DNBSEQ-T10、單細胞測序平臺DNBelab C4和時空組學技術(shù)Stereo-seq，對中華軟殼龜、斑胸草雀、鴿子的端腦和小腦進行測序分析，并與已公開的小鼠、獼猴全腦圖譜數(shù)據(jù)進行整合，共構(gòu)建了羊膜類5個代表物種共130萬個細胞的跨物種單細胞圖譜。該圖譜首次通過多組學結(jié)合角度系統(tǒng)揭示了爬行類、鳥類與哺乳類大腦細胞類型的保守性與多樣性演化規(guī)律。

研究發(fā)現(xiàn)，鳥類與哺乳類在端腦興奮性神經(jīng)元中呈現(xiàn)出顯著的基因表達差異。鳥類的興奮性神經(jīng)元在全腦范圍普遍表達SLC17A6基因；哺乳類新皮層神經(jīng)元特異性表達它的同源基因SLC17A7，其他腦區(qū)則保留SLC17A6的表達；龜類大腦大部分區(qū)域則同時表達這兩個基因。以上結(jié)果暗示SLC17A7可能在鳥類演化過程中發(fā)生功能丟失。

那么，這些大腦細胞類型的差異是如何產(chǎn)生的？研究團隊創(chuàng)新性地將基因家族序列的“演化史”和單細胞類群的表達情況結(jié)合起來分析。他們發(fā)現(xiàn)，有20%至35%在不同物種間表現(xiàn)各異的神經(jīng)元基因，可以追溯到羊膜動物祖先時期發(fā)生的一些基因“復(fù)制粘貼”事件——基因家族擴增與復(fù)制。

該研究通過跨物種單細胞與空間多組學整合分析，首次在時空維度解析了羊膜動物腦細胞類型的演化軌跡。團隊優(yōu)化開發(fā)的熵優(yōu)化單細胞圖譜比對模型，突破了遠緣物種細胞類型映射的技術(shù)瓶頸，精準識別了爬行類、鳥類與哺乳類間同源和分化的細胞亞型。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.devcel.2025.04.014

（原載于《中國科學報》?2025-05-15?第1版?要聞）