大约 8 亿年前，我们的脑细胞组成部分开始在浅海中形成。发表在《细胞》（Cell）杂志上的研究为神经元的进化提供了新的视角，研究重点是一种毫米大小的海洋动物--胎生动物。巴塞罗那基因组调控中心的科学家发现，这些古老而独特的动物体内的特化分泌细胞可能孕育了更复杂动物的神经元。
H2 的共聚焦显微镜下细胞核图像（按深度着色），H2 是胎生动物的四个物种之一，该研究的作者为其绘制了细胞图谱。图片来源：Sebastian R. Najle/基因调控中心
胎生动物是一种微小的动物，大约只有一粒大沙粒大小，在温暖的浅海中以生活在岩石表面和其他基质上的藻类和微生物为食。这种形似圆球和薄饼的生物非常简单，没有任何身体部位或器官。
这些动物被认为是在大约 8 亿年前首次出现在地球上，是与栉水母纲（Ctenophora）、多孔纲（Porifera）、腔肠纲（Cnidaria）（珊瑚、海葵和水母）和双鞭毛目（Bilateria）（所有其他动物）并列的五大动物门类之一。
这些海洋生物通过肽能细胞协调自己的行为，肽能细胞是一种特殊类型的细胞，能释放小肽来指挥动物的运动或进食。在对这些细胞起源的好奇心驱使下，这项研究的作者们采用了一系列分子技术和计算模型，以了解胎生动物细胞类型是如何进化的，并拼凑出我们远古祖先的外观和功能。
重建远古细胞类型
研究人员首先绘制了一张所有不同胎生动物细胞类型的地图，标注了它们在四个不同物种中的特征。每种细胞类型都有特定的作用，这些作用来自于特定的基因组。这些地图或"细胞图谱"让研究人员能够绘制出这些基因的集群或"模块"。然后，他们绘制了控制这些基因模块的 DNA 调控区域图，从而清楚地显示了每个细胞的作用以及它们是如何协同工作的。最后，他们进行了跨物种比较，重建了细胞类型的进化过程。
在显微镜下观察毛鳞虫 H2 标本的延时视频。资料来源：Sebastian R. Najle/Centro de Regulación Genómica
研究表明，胎生动物的九种主要细胞类型似乎是由许多"中间"细胞类型连接起来的，它们从一种类型转变为另一种类型。这些细胞不断生长和分裂，维持着动物移动和进食所需的细胞类型的微妙平衡。研究人员还发现了 14 种不同类型的肽能细胞，但这些细胞与所有其他细胞都不同，没有显示出任何中间类型，也没有任何生长或分裂的迹象。
令人惊讶的是，肽能细胞与神经元有许多相似之处--这种细胞类型直到数百万年后才出现在更高级的动物体内，如双毛目动物。跨物种分析表明，这些相似之处是胎生动物所独有的，并没有出现在海绵或栉水母等其他早期分支动物身上。
进化的垫脚石
肽能细胞与神经元之间的相似性体现在三个方面。首先，研究人员发现，这些胎生动物细胞是通过发育信号从原生上皮细胞群中分化出来的，这种信号类似于网虫和双足纲动物的神经发生过程，即新神经元的形成过程。
其次，他们发现肽能细胞具有许多基因模块，这些模块是构建神经元中能够发出信息的部分（突触前支架）所必需的。然而，这些细胞远非真正的神经元，因为它们缺乏神经元信息接收端（突触后）的组件或传导电信号所需的组件。
最后，作者利用深度学习技术表明，胎生动物细胞类型之间的交流是通过细胞内的一个系统进行的，在这个系统中，被称为GPCR（G-蛋白偶联受体）的特定蛋白质会检测到外部信号，并在细胞内启动一系列反应。这些外部信号由神经肽介导，神经肽是神经元在许多不同生理过程中使用的化学信使。
这项研究的共同第一作者、基因组调控中心博士后研究员塞巴斯蒂安-纳伊尔（Sebastián R. Najle）博士说："我们对这些相似之处感到震惊。胎生动物的肽能细胞与原始神经细胞有许多相似之处，尽管它们还没有达到那种程度。这就像是在看一块进化的垫脚石。"
神经元的曙光
这项研究表明，8 亿年前，在远古地球浅海中吃草的祖先动物中，神经元的构件正在形成。从进化的角度来看，早期的神经元最初可能类似于今天胎生动物的肽能分泌细胞。
这些细胞利用神经肽进行交流，但最终获得了新的基因模块，使细胞能够创建突触后支架，形成轴突和树突，并创建产生快速电信号的离子通道--这些创新对于胎生动物祖先首次出现在地球上后约一亿年神经元的出现至关重要。
然而，神经系统的完整进化故事仍有待考证。据认为，第一个现代神经元起源于大约 6.5 亿年前的刺胞动物和两栖动物的共同祖先。然而，栉水母中也存在类似神经元的细胞，尽管它们在结构上有很大差异，而且缺乏现代神经元中大多数基因的表达。胎生动物细胞中存在其中一些神经元基因，而栉孔动物中却没有，这引发了有关神经元进化轨迹的新问题。
"胎生动物缺乏神经元，但我们现在发现它们与我们的神经细胞有着惊人的分子相似性。栉水母有神经网，与我们的神经网有关键的不同之处，也有相似之处。神经元是一次进化然后分化，还是不止一次并行进化？它们是马赛克吗，每一块都有不同的起源？这些都是有待解决的悬而未决的问题"，该研究的共同第一作者、基因组调控中心博士后研究员泽维尔-格劳-博韦（Xavier Grau-Bové）博士说。
该研究的作者相信，随着世界各地的研究人员继续对不同物种的高质量基因组进行测序，神经元的起源和其他细胞类型的进化将变得越来越清晰。
"细胞是生命的基本单位，因此了解细胞如何产生或随时间发生变化是解释生命进化故事的关键。胎生动物、栉水母、海绵和其他非传统模式动物蕴藏着我们刚刚开始揭开的秘密，"该研究的通讯作者、基因组调控中心初级组组长、ICREA研究教授Arnau Sebé-Pedros总结道。