不同生长条件下罗非鱼脑神经元数量与脑体积跨群体协同变化而群体内独立变异的发现及其对脑进化模型的重塑

本刊推荐：本研究通过调控莫桑比克罗非鱼（Oreochromis mossambicus）种群密度，首次在脊椎动物中证实脑体积与神经元数量在跨生长条件（群体）层面呈正相关（神经元密度恒定），但在同一生长条件（群体内）层面相互独立（神经元密度与神经元数量正相关）。这一发现挑战了"个体脑增大驱动物种脑进化"的传统假说，提出了基于生长机会可塑性变化的脑进化新模型（反应规范耦合模型），为解释脑尺寸多样性的种内-种间-支系特异性模式提供了全新框架。

　　

引言：传统观点认为，较大动物具有较大大脑且较大大脑拥有更多神经元，这一模式在物种间比较研究中得到广泛验证。然而种内研究却显示，同一物种内较大个体未必具有更大大脑或更多神经元，这对"脑进化通过选择较大脑个体实现"的假说提出挑战。本研究利用慈鲷科鱼类莫桑比克罗非鱼的生态调控无限生长特性，通过不同种群密度饲养创造相同年龄成年个体超过30倍的体重变异，系统探究了种内脑缩放规律及其对脑进化机制的启示。

方法：研究采用80只同日孵化的莫桑比克罗非鱼，在四个相同容积水箱中设置15、30、60、120尾/箱四种种群密度，所有个体自由摄食。分别在5月龄（年轻成年）和12月龄（老年）两个时间点采集样本。使用各向同性分馏器（Isotropic Fractionator）技术定量分析五个主要脑区（端脑、间脑/中脑、视顶盖、小脑、后脑）的细胞组成，并通过抗NeuN抗体免疫细胞化学区分神经元与非神经元细胞。采用对数转换数据的线性回归最小二乘拟合评估体重、脑体积与神经元数量间的缩放关系。

结果：

变异生长条件产生体型变异：不同种群密度饲养成功创造了体重335倍（0.102-33.548g）、体长7.2倍（1.38-10.0cm）的连续体型变异。低密度组动物具有更大体重、体长、脑重量和神经元数量，但神经元密度保持不变。

跨生长条件下较大动物具有较大大脑：跨所有饲养条件，较大动物确实具有较大脑重量（r²=0.930, p<0.001）。但达到特定体重的途径显著影响相对脑大小：快速生长（5月龄低密度）个体的脑重占体重比例（约3%）显著高于慢速生长（12月龄高密度）个体（<1.5%）。

相似脑体积具有不同神经元数量：12月龄高密度饲养个体的特定脑重量所含神经元数量是5月龄低密度饲养个体的两倍以上。相反，120尾/箱饲养12月龄个体的小脑与15尾/箱饲养5月龄个体的大脑具有相似神经元数量。

脑区特异性缩放模式：所有脑区重量均与体长正相关（指数1.2-1.6），但慢速生长个体的脑区重量系统性地低于快速生长个体。端脑、小脑和后脑的神经元数量与体长呈单一函数关系，而视顶盖表现出独特模式：慢速生长个体视顶盖神经元数量约为快速生长个体的10倍。

群体内缩放关系逆转：在每个特定密度饲养群体内，较大动物具有较大脑结构但并非更多神经元；而具有更多神经元的个体则表现出更高神经元密度（指数恒为1）。此模式在5月龄和12月龄群体中高度一致。

非神经元细胞变异伴随神经元变异：非神经元细胞数量与神经元数量近乎线性协同变化（斜率2.00），且与体重和体长的缩放指数（0.500±0.017和1.460±0.051）与神经元缩放指数相似。非神经元细胞密度在12月龄个体中显著升高。

讨论：本研究揭示了种群密度通过压力介导的神经发生抑制影响脑细胞组成的机制。跨群体（不同生长条件）的脑缩放模式模拟了物种间脑缩放规律（较大脑具有更多神经元且神经元密度恒定或降低），而群体内（相同生长条件）模式则证实了脑体积与神经元数量的遗传独立调控。研究者提出"反应规范耦合模型"解释脑多样性起源：宏观环境阶跃变化引起脑体积与神经元数量的协同阶跃变化（跨群体相关），而微观环境因素导致两者独立变异（群体内不相关）。当环境条件持续多代时，这种可塑性变化可能通过表观遗传机制（如母系线粒体功能遗传）固定化，从而形成支系特异的脑缩放规律。该模型首次统一解释了种内-种间-支系特异性脑缩放模式，为脑进化研究提供了新范式。

作者贡献：Magda C. Teles与Gon?alo M. Melo完成实验操作与数据采集；Suzana Herculano-Houzel负责概念框架构建与数据可视化；Rui F. Oliveira提供项目管理与资金支持；所有作者共同参与论文撰写与编辑。

伦理声明：本研究仅通过调整饲养密度改变生长条件，未进行实验性操作，符合欧盟2010/63/EU指令要求。