Science封面！华大等机构联合揭示：我们的脑部设计图，在5亿年前就打好了草稿

深圳新闻网2026年6月22日讯（记者 范洋航）近日，国际顶级学术期刊《科学》（Science）以封面文章形式发表了一项重磅研究成果：由中国科学家团队——中国科学院昆明动物研究所、华大生命科学研究院和辽宁师范大学联合完成的无颌类脊椎动物全脑时空3D图谱。该研究利用华大自主研发的时空组学技术，首次系统绘制了现存最原始脊椎动物——七鳃鳗的大脑精细结构，并通过跨物种比较，揭示了脊椎动物脑部在5亿年演化历程中的“保守蓝图”与“创新变革”，为理解人类大脑的起源和演化提供了全新视角。

Science封面

Science官网截图

为何聚焦七鳃鳗？——来自4.5亿年前的“活化石”

七鳃鳗，这种外形似鳗鱼、口部呈吸盘状的古老生物，在公众视野中或许陌生，但在演化生物学界却地位非凡。大约4.5亿年前，脊椎动物的祖先发生了一次关键分化：一支演化出可以活动的下颌，成为有颌类，最终发展出包括人类在内的所有鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类；另一支则保留了无下颌的原始形态，延续至今，七鳃鳗便是其唯一现存的代表。更令人惊叹的是，七鳃鳗的化石记录显示，其核心形态在3.6亿年间几乎没有改变，堪称演化史上的“活标本”。正因如此，研究七鳃鳗的大脑，就如同翻开一部尘封的地质史书，能够直接“透视”5亿年前脊椎动物共同祖先的脑部构造。然而，由于技术手段的限制，过往研究始终在细胞形态和分子功能之间“顾此失彼”，传统解剖无法解析基因表达，单细胞测序又丢失空间位置信息，更缺乏跨物种的系统比较。这一次，中国团队携最新技术利器，终于打破了这一僵局。

七鳃鳗（Lethenteron reissneri）

百亿像素生命照相机，看清46万个细胞的秘密

研究团队将华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq（被誉为“百亿像素生命照相机”）与单细胞建库平台DNBelab C4强强联合，对七鳃鳗全脑进行了连续40张切面的高精度扫描。他们成功获取了覆盖14个主要脑区、超过46万个单细胞的空间转录组数据，并据此解析出209种截然不同的细胞类型和状态。在此基础上，团队构建了全球首个无颌类脊椎动物全脑时空3D图谱，并建立了高保真、区域特异性的转录组数据库。目前，这一珍贵数据已面向全球公开，上线于CNSA数据库，供各国科研人员共享使用。

七鳃鳗全脑时空3D图谱构建与主要发现

七鳃鳗3D脑图谱交互式数据库

跨越5亿年：脊椎动物脑的“不变”与“变”

通过与小鼠全脑图谱的跨物种对比，研究团队发现了令人震撼的演化保守性：脊椎动物大脑的主体框架和主要区域划分，在过去5亿年中几乎纹丝未动。例如，七鳃鳗的嗅球拥有与小鼠嗅球一样典型的分层结构；其菱脑区域同样保留了有颌类特有的HOX基因分节框架；甚至还鉴定出一群与哺乳动物蓝斑（负责应激和警觉反应）高度同源的细胞群。这些经历亿万年淬炼而保守的特征，很可能构成了所有脊椎动物最基本神经环路和行为功能的“地基”。

在保守的基调下，演化同样谱写出独特的“变奏曲”。尽管七鳃鳗端脑中的多数神经元类型与小鼠皮层细胞同源，但它们在空间排布上却大相径庭。更引人注目的是，研究团队在七鳃鳗脑中识别出多个有颌类所没有的特殊细胞类型——比如中脑视觉处理中心的特异神经元，以及后脑网状结构中体积异常巨大、但数量极少的“穆勒细胞”。这些大型细胞在常规单细胞测序中极易被漏掉，此次却因空间组学的高覆盖率而得以呈现。这些谱系特有细胞，正是不同脊椎动物类群为适应特定生态环境而演化出的“独家法宝”。

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）

神经元演化史：从“身兼数职”到“分工明确”

我们通常认为，大脑神经元严格分为兴奋性和抑制性两大阵营。但本研究的比较分析彻底刷新了这一认知：在七鳃鳗、斑马鱼等低等脊椎动物中，大量神经元竟同时表达兴奋性和抑制性两种分子标记，团队将其命名为AEN神经元，形象地称之为“兼职神经元”。就像初创团队中一人负责多项任务，这些神经元同时承担两种看似矛盾的功能。然而，随着演化向羊膜类（爬行类、鸟类、哺乳类）推进，这类“兼职神经元”急剧减少，在哺乳动物脑中几乎绝迹，取而代之的是高度专业化的“专职神经元”——兴奋性和抑制性谱系彻底分离，各司其职，调控更为精准高效。这一发现为理解大脑功能复杂性如何通过神经元分化逐步提升，提供了关键演化证据。

百年争议尘埃落定：七鳃鳗拥有“原始小脑雏形”

小脑是调控运动协调和认知的核心脑区，现有有颌类均具备层次分明的成熟小脑，但无颌类是否拥有小脑结构，在比较神经解剖学界已争论近一个世纪。此次研究给出了明确答案：七鳃鳗并非没有小脑，而是拥有一个“原始版”的小脑雏形。从外部形态看，七鳃鳗的小脑区域并不像斑马鱼那样具有清晰的分层组织，但通过分子指纹比对，团队精准定位到一群与斑马鱼小脑中间神经元高度相似的特异细胞簇。这表明，七鳃鳗脑中已存在一个弥散分布、以类小脑中间神经元为主导的初级结构，它可能正是脊椎动物祖先小脑的原始形态，为后来有颌类演化出精细、分层的小脑打下了基础。

不同物种的小脑结构特征（A）和七鳃鳗的“小脑样结构”（B）

该研究表明，早在5亿年前，脊椎动物的共同祖先可能就已经搭好了分区明确的脑组织框架，并备齐了多样化的细胞类型，在随后的漫长岁月里，脑部的演化主要是在这个架构基础上，进行细胞类型、空间组织和功能分工的持续创新。

这项研究不仅重建了脊椎动物脑演化的祖先状态，也为理解复杂脑结构的形成机制提供了一个全新的演化视角，成为全球科学家研究脊椎动物脑演化的重要参考资源，为进一步解析神经系统复杂性起源提供基础数据平台。