Science：脑进化的活化石

　　

生物通报道  在小鼠脑进化的过程中，它的结构几乎没有发生变化。与生存在大约8千万年前的现代哺乳动物的微小祖先非常相似，小鼠视觉皮质的神经细胞密集聚集在脑的小块区域里。然而，更大的哺乳动物例如人类的脑却与这些小鼠有着完全不同的结构。自组织的过程导致了模块的出现，在这些模块中神经元相互连接共同负责特异的任务。这是由马克思•普朗克动态和自组织研究所的科学家们领导的一个国际研究小组在近期的一项研究中获得的结论。相关论文发布在《科学》（Science）杂志上。

人类的体积远远超过几乎他们所有的祖先。我们的曾曾曾祖父母平均比我们要短10个厘米。进一步回到过去，差异的增加令人印象深刻。人类的祖先和普通的现代哺乳动物在8千万年前全部的重量不超过100克，通常大小只有几个厘米。生态微环境使得恐龙拥有更大的身体。然而6500万年前的大灭绝使得恐龙绝迹，让我们的祖先能够在历史维度上呈“井喷式增长”。在短短的几百万年间哺乳动物进化到体积上时中生代祖先的超过100倍。

由马克思•普朗克研究所的科学家们领导的一个著名国际研究小组在Science杂志上报告称这一井喷式的增长可能导致了脑中神经回路的根本性重塑。来自法兰克福歌德大学的科学家们和他们的国际伙伴也参与了这项研究。对应最小的细节研究人员发现在脑视觉皮质中的神经回路在不同的谱系中各自发展。计算机刺激和数学模拟表明这些对比反映了大型神经元网络自组织的基本定律。研究人员指出了“脑发展活化石”的存在。它是指那些直至今日仍保留了我们祖先的“神经元回路”结构的物种。其中令人惊讶的是灵长类动物的最近亲：小鼠。

人类进化的一个重要方面就是大脑尤其是大脑皮质的扩充。大脑皮质的功能包括意识直觉、决策和许多记忆过程。人类的这一脑区域被分化数个模块，数组神经元在密集的网络中相互连接，协同完成共同的任务，例如感知某一色彩。Science的这篇论文分析了构建形状感知基础的视觉皮质模块称之为方位柱（orientation columns）的进化。

数以百计的这些通常约1毫米大小模块并排定位在视觉皮质中。新研究表明这种空间定位精确地遵循几何规则。令人惊讶的是，相同的规则在不同谱系中各自进化导致了大脑（big brain）的形成和动物脑的大小差别很大。新的研究结果由此驳斥了几何性质强依赖和大脑大小的竞争假说。它表明在一段相当长的进化性大脑扩展时期内只有模块的数量增加。它们扩展的规律仍然保持不变。

作者们指出这些规则并不适用于整个系统发生史。文章的第一作者Wolfgang Keil说：“在我们的中生代祖先中，这些大脑结构的规则已经达到了它们的极限。它们的大脑太小以致大脑皮质无法装配甚至一个模块。“因此，研究人员认为有可能我们的祖先有着根本不同的视觉皮质结构。

事实上，所有体重轻于100克的活体动物似乎都完全缺乏方位柱。例如在小鼠中，在视觉皮质中的神经细胞处理不同的任务似乎是随机混合的。研究人员争辩说我们的脑结构是否起源于一种混合或甚至更罕见的脑组织只能在进一步的研究中进行推断。“事实上，就不同哺乳动物谱系视觉皮质的结构而言存在有许多的待发掘地带，”该研究的负责人、马克思•普朗克动态和自组织研究所、计算神经科学Bernstein中心Fred Wolf说。科学家们希望他们的研究工作将鼓舞世界各地的同事们帮助解开人类起源的根本奥秘。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Response to Comment on “Universality in the Evolution of Orientation Columns in the Visual Cortex“

Meng et al. conjecture that pinwheel density scales with body and brain size. Our data, spanning a 40-fold range of body sizes in Laurasiatheria and Euarchonta, do not support this conclusion. The noncolumnar layout in Glires also appears size-insensitive. Thus, body and brain size may be understood as a constraint on the evolution of visual cortical circuitry, but not as a determining factor.