高原棕蛙（Rana kukunoris）中脑结构而非脑大小随海拔梯度变化

《Zoology》：Brain structure, but not size, changes across an altitudinal gradient in the Plateau brown frog ( Rana kukunoris)

　　

• •
  高海拔青蛙的性别特异性大脑演化：Rana kukunoris 案例研究。
• •
  大脑抵抗海拔驱动的萎缩，违背能量限制预测。
• •
  随着海拔升高，雌性青蛙以小脑换取顶盖。
• •
  视觉大脑生长可能缓冲雌性应对严酷山地生活。
• •
  小脑-顶盖权衡揭示能量如何塑造大脑演化。

引言

高海拔环境施加着强烈的选择压力，包括缺氧、热应激、资源限制以及活动期缩短（Storz 等，2010；Keller 等，2013；Tate 等，2017）。栖息于这些生境的动物已演化出多种适应策略——包括降低生长速率、延迟性成熟以及增强氧气运输能力——以缓解严酷的环境挑战（Morrison 和 Hero，2003；Muir 等，2014；Yu 等，2018；Yu 等，2022a, c）。然而，海拔梯度如何调节脑大小、结构特化和认知功能的机制仍未得到充分阐明，尤其是在变温脊椎动物中（Mai 和 Liao，2019；De Meester 等，2022）。这一知识空白具有重要的生物学意义：大脑是最耗能的器官之一（Mink 等，1981；Navarrete 等，2011），高海拔引起的能量限制应驱动神经投资的适应性权衡——然而此类权衡的方向性（即优先考虑认知增强还是能量保存）仍难以捉摸（Gonda 等，2013）。

在能量约束下，海拔适应出现了两种对立的适应策略：认知缓冲假说（CBH）预测大脑或功能特化脑区的增大以增强认知灵活性（例如高效的觅食、繁殖地定位）以应对不可预测的高海拔环境（Sol，2009；Reader 和 Laland，2002）；与之相反，昂贵大脑假说（EBH）认为在资源供应受限时，大脑尺寸会减小以最小化代谢成本（Isler 和 van Schaik，2009；Jin 等，2015；van Woerden 等，2010；Barrickman 等，2008；González?Lagos 等，2010）。对于大脑区域化的演化，两个互补的框架进一步阐明了这些模式：发育约束假说（DCH）提出所有脑区协调缩放，由保守的发育机制驱动（Montgomery 等，2016；Kotrschal 等，2017），而功能约束假说（FCH）预测模块化、独立的调整——生态关键区域的增大以较少约束区域的缩小为代价（Safi 和 Dechmann，2005a；Zeng 等，2016；Kotrschal 等，2017）——以优化功能表现与能量支出的平衡。这些假说为分析高海拔变温动物如何在神经权衡中进行导航提供了稳健的概念框架，其代谢率与环境温度紧密耦合（Yu 等，2014；Niu 等，2024；Huang 等，2020）。

迄今为止，海拔大脑变异的研究揭示了恒温动物与变温动物之间不同的适应轨迹。在恒温鸟类中，储食山雀（Poecile 属）是 CBH 的范例：高海拔种群表现出海马体的演化性增大、空间记忆增强以及与越冬存活相关的可遗传神经表型（Pravosudov 和 Clayton，2002；Pravosudov 等，2025；Sonnenberg 等，2019），反映了认知增强作为一种关键适应策略。对于变温两栖动物，研究受到狭窄海拔范围和有限分类学覆盖的限制：Bufo galarizans 在高海拔表现出相对全脑体积减小，并伴有模块化调整（大脑端增大以及顶盖/小脑缩小），同时支持 EBH 和 FCH（Yao 等，2021）；Bufo andrewsi 将脑大小与活动季长度联系起来（活动季长度是海拔环境严酷性的可靠代理指标）（Jiang 等，2015；Liao 等，2016）；Fejervarya limnocharis 表现出小脑大小与海拔的正相关，但相对脑大小与海拔之间没有一致的关系（Mai 等，2017）。关键的是，这些研究存在两个主要局限：(1) 缺乏性别特异性变异的分析——尽管两栖动物脑区两性异形已有充分记录（例如 B. gargarizans；Yao 等，2021）；以及 (2) 极端高海拔梯度（>3000 米）覆盖不足，而在此海拔能量约束最为显著（Hodkinson，2005；Albert 等，2010）。

值得注意的是，与恒温动物相比，变温动物面临独特的能量权衡：其代谢率、觅食窗口和资源获取受到环境温度的紧密约束（Yu 等，2014；Niu 等，2024），这可能驱动不同的神经适应轨迹。虽然恒温鸟类通过针对性神经投资优先考虑认知增强（Sol 等，2007；Pravosudov 等，2025），但变温两栖动物似乎更倾向于模块化大脑调整或整体脑大小缩小以节约能量（Mai 等，2017；Yao 等，2021）。解决这些分类学差异对于全面理解脊椎动物大脑演化至关重要——然而变温动物在这类研究中的代表性仍显不足（De Meester 等，2019；Mai 和 Liao，2019）。此外，性别特异性选择压力（例如雌性繁殖资源分配、雄性交配竞争）可能会独立地塑造大脑演化（Gonzalez-Voyer 和 Kolm，2010），但这一维度在两栖动物中鲜有探索（Zeng 等，2016）。

本研究利用高原棕蛙（Rana kukunoris）来填补这些关键空白，该物种是东部青藏高原的特有种（2000–4400 米），具有广泛的海拔分布、性别体型二态性、随海拔升高的入冬前能量储备下降以及性别特异性能量分配策略（雄性：优先储存脂肪；雌性：投资于生殖腺发育）（Lu 等，2008；Chen 等，2011；Chen 等，2013；Yu 等，2018；Yu 等，2022a）。在前人两栖动物研究的基础上（Liao 等，2014；Liao 和 Lou，2015；Yao 等，2021；Jiang 等，2015），我们检验了与海拔适应相关的四个假说：(1) 低海拔种群将表现出更大的相对脑大小，这与较长的生长季和增加的食源供应相对应（Wells，2007）；(2) 高海拔青蛙将表现出大脑端增大（支持 CBH 下定位稀缺繁殖池塘的空间认知；Sotelo 等，2017；Triki 等，2023）和小脑体积减小（归因于缺氧引起的运动约束以及复杂三维姿势控制需求的降低；Llinas 和 Precht，1976；Roth 和 Pravosudov，2009）；(3) 低海拔种群将拥有更大的顶盖——视觉处理捕食者/猎物线索的关键脑区——鉴于低海拔地区的捕食风险更高（Morrison 和 Hero，2003；Taylor 等，1995；Liao 和 Lou，2015；Chen 等，2025）；(4) 嗅球和嗅神经的相对大小将随海拔升高而增加，通过增强化学信号检测来补偿高海拔受损的视觉功能（Gonda 等，2010）。

章节摘要

研究地点与样本采集

我们在我国东部青藏高原海拔 2297–3441 米的范围内采集了七个高原棕蛙（Rana kukunoris）种群样本，观察到在低海拔地区从 3 月中旬至下旬开始繁殖，而在高海拔地区则推迟至 4 月初至中旬。在分析之前，我们将两个相距很近的数据点合并为单一研究站点（贡曲湖）：这两个子站点仅相距 1.9 公里，且没有自然地理屏障（例如山脉，

绝对大脑大小变异

绝对脑体积与海拔（雌性，t = -0.39，df = 2.38，p = 0.73；雄性，t = -1.65，df = 3.30，p = 0.19；图 3a）和纬度（雌性，t = -0.55，df = 1.96，p = 0.64；雄性，t = -1.69，df = 2.62，p = 0.20）均无显著关联。雌性脑体积与 SVL 显著相关（LMMs：t = 3.146，df = 154.702，p = 0.002），但雄性则无此相关（t = 1.31，df = 159.37，p = 0.19）。脑体积对 SVL 的回归分析显示出低异速增长模式（雌性：两个 β = 0

讨论

本研究全数据集的一个关键发现是，在高原棕蛙（R. kukunoris）中相对脑大小不存在可检测到的海拔趋势。由于本研究采用相关性设计，这种稳定性无法确定地归因于任何单一机制；然而，有四种非互斥的过程可能合理地解释所观察到的模式。首先，与 FCH 一致（Gonzalez-Voyer 和 Kolm，2010；Safi 和 Seid，2005；Striedter，2005），

结论

本研究评估了大脑大小和结构在海拔梯度上的变异，未发现高海拔相对脑大小普遍减小的趋势，也未发现其与纬度和环境因素的显著关联。顶盖大小的增加可能为严酷环境中增强的辨别学习提供神经基础，这一发现与 CBH 一致。然而值得注意的是，雌性小脑大小减小，而顶盖

CRediT 作者贡献声明

Tong Lei Yu：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，验证，软件，资源，方法学，调查，资金获取，正式分析，数据管理。Hai Qing Sun：写作 – 审阅与编辑，可视化，监督，软件，方法学，数据管理。Ming Zhu Yao：写作 – 原稿，可视化，验证，监督。

资金支持

高原棕蛙的野外研究由 国家自然科学基金委员会 资助，项目编号 31741019，以及 中国河南省自然科学基金 资助，项目编号 252300421429。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

我们感谢嘎海–杂察国家级自然保护区工作人员提供的支持，这对我们 2011 年至 2013 年野外调查的成功起到了关键作用。嘎海–杂察国家级自然保护区管理局批准了本项目并许可进行野外工作。编号：GHZCRMB/03-212011（批准日期：2011 年 3 月 21 日–2014 年 3 月 21 日）。本研究已获中国河南省信阳市信阳师范学院动物伦理委员会批准，批准编号：XYEC-2011-008，

Tong Lei Yu|Hai Qing Sun|Ming Zhu Yao