5 亿年前的大脑长什么样？答案藏在这条没下巴的鱼身上

5亿年前的脊椎动物大脑长什么样，一直是演化生物学中最难回答的问题之一。原因很简单：骨骼能够留下化石，大脑却很难保存下来。

大脑这种柔软组织在动物死亡后会迅速分解，即便是保存条件极其特殊的化石，也极少能够留下完整的大脑结构信息。因此，人们虽然知道脊椎动物在远古时期已经出现，却始终不知道最早的大脑究竟是什么模样。

图片来源：中科院网站

不过最近，中国科学家完成的一项研究，为这个问题提供了迄今最清晰的答案。而帮助他们破解谜题的，竟然是一种看起来有些“奇怪”的古老生物——七鳃鳗。

一条活了数亿年的“活化石”

在脊椎动物演化史上，七鳃鳗有着特殊的地位。

它没有上下开合的下巴，嘴巴像一个圆形吸盘，里面长满角质小齿，看起来甚至有些“外星生物”的味道。

在科学家眼中，七鳃鳗是一件珍贵的“活化石”。所谓活化石，并不是说它在分子或基因组层面几亿年没变，而是指它的核心形态特征（如吸盘口器、无颌结构）在化石记录中表现出惊人的保守性，保留了许多远古祖先的关键特征。

图片来源：中国科学院昆明动物研究所

大约5亿年前（寒武纪晚期至奥陶纪早期），脊椎动物演化史上发生了一次重要分家。其中一支逐渐演化出了能够开合的上下颌，最终形成了今天鱼类、两栖动物、爬行动物、鸟类以及哺乳动物所属的“有颌类”。另一支则保留了没有下巴的原始结构，另一支则保留了没有下巴的原始结构，与有颌类构成姐妹群关系，七鳃鳗与盲鳗正是这一古老无颌谱系现存的两大代表，它们共同组成了圆口纲（Cyclostomata）。

如果想了解早期的脊椎动物大脑是什么样子，七鳃鳗无疑是最重要的研究对象之一。

给大脑拍一张“46万个细胞的全景照”

过去很长时间里，研究大脑有一个难题。传统解剖学能够看清脑区的位置和形态，却难以了解细胞内部发生了什么；单细胞（核）测序技术能够识别不同细胞的基因表达特征，却会丢失这些细胞原本所在的位置。

这有点像研究一座城市。你既想知道有哪些类型的建筑，也想知道它们分别位于哪个街区。仅仅知道建筑类型，却不知道城市布局，很难真正理解整座城市是如何运转的。

这一次，研究团队利用空间转录组技术和单细胞核RNA测序技术，分别获取了细胞类型信息和空间位置信息，再通过计算整合将两者对应起来。

七鳃鳗全脑3D重构示意图 图源：中国科学院昆明动物研究所

他们连续获取七鳃鳗脑组织切片的数据，再通过算法进行三维重建，最终获得了超过46万个具有精确空间坐标的细胞信息；通过与单细胞核测序数据的整合，解析出200多种细胞类型和状态。这相当于给七鳃鳗的大脑拍摄了一套超高清“全景照片”。

借助这张前所未有的脑地图，研究人员终于能够把七鳃鳗与现代脊椎动物放在同一个框架下进行比较。而比较结果，比很多人预想的更加有趣。

原来，5亿年前的大脑已经不简单了

长期以来，人们往往认为复杂大脑是漫长演化的产物。按照这种直觉，5亿年前的脊椎动物祖先刚刚出现不久，大脑应该相对简单；那些复杂的脑区结构和神经网络，则是在后来的演化过程中逐渐形成的。但研究发现，情况可能并非如此。

当研究团队将七鳃鳗与小鼠的大脑进行比较时，发现两者在不少关键区域竟然存在明显的相似性。例如负责处理气味信息的嗅球，都具有相近的组织特征；后脑区域的分节结构也表现出高度一致性；一些核心神经细胞类型甚至保留着相似的分子特征。

七鳃鳗脑的三维转录组图谱与脊椎动物脑进化 图源：中科院网站

这些发现传递出一个重要信息：脊椎动物共同祖先的大脑，可能已经拥有相当清晰的区域划分和丰富的细胞类型。

换句话说，现代脊椎动物大脑的许多基础框架，或许早在5亿年前就已经搭建完成。后来的演化并不是从零开始建造一座新房子，而更像是在已有地基和主体结构的基础上不断扩建、装修和升级。

这个结论也改变了人们对于大脑演化过程的一些传统认识。复杂脑结构的出现时间，可能比过去认为的更早。

神经元也经历过“兼职时代”

这项研究中最有趣的发现之一，来自神经元的演化过程。

我们今天的大脑中，神经元通常分工明确。有些负责发送兴奋信号，相当于踩油门；有些负责发送抑制信号，相当于踩刹车。两类神经元各司其职，共同维持神经系统的正常运转。

然而科学家发现，在七鳃鳗和斑马鱼等非羊膜类脊椎动物的大脑中，存在大量同时表达两类标志基因的神经元。它们既带有“油门”特征，也带有“刹车”特征。研究团队将其称为AEN神经元。

如果打个比方，它们就像创业公司里的早期员工。公司刚成立时，一个人可能既负责产品设计，又负责市场推广，还兼顾客户服务。随着企业不断发展，职责逐渐细化，才会出现产品经理、市场经理和客服等专门岗位。

成体雷氏七鳃鳗（Lethenteron reissneri） 图源：中科院网站

神经元的演化似乎也经历了类似过程。早期神经元往往身兼数职，而随着脊椎动物不断演化，尤其是在羊膜动物出现之后，神经元开始向更加专业化的方向发展，最终形成羊膜动物（包括哺乳类）大脑中高度精细的功能分工体系。

从某种意义上说，大脑复杂性的提升，不只是细胞数量增加，更重要的是细胞之间的“职业分化”。

七鳃鳗到底有没有小脑？

除了神经元，研究还回答了另一个争论多年的问题。那就是：七鳃鳗有没有真正意义上小脑？

对于人类来说，小脑非常重要。虽然它只占脑体积的一小部分，却参与运动协调、姿势控制以及部分认知活动。

长期以来，科学家一直不确定无颌类动物是否拥有真正意义上的小脑。传统观点认为，小脑是有颌类脊椎动物才具备的“高级”结构。因为从外观上看，七鳃鳗并没有现代鱼类或哺乳动物那样层次分明的小脑结构。

但这次研究发现，在七鳃鳗脑部特定区域中，存在与现代鱼类小脑神经元高度相似的细胞群。这说明七鳃鳗并非完全没有小脑。更准确地说，它拥有一种较为原始的小脑雏形。虽然结构简单，却可能代表着脊椎动物祖先小脑的早期状态。这意味着，小脑的起源时间也许比过去认为的更早。

从一条鱼，看见人类大脑的来处

今天的人类拥有已知动物界最复杂的大脑。它能够思考、创造、想象未来，也能探索宇宙和生命本身。但再复杂的大脑，也不是凭空出现的。它同样经历了漫长的演化历程。

这项研究的重要意义，不仅在于绘制了一张七鳃鳗的大脑地图，更在于帮助科学家向前追溯，寻找脊椎动物大脑最初的模样。

图源：中国科学院古脊椎动物与古人类研究所

从某种意义上说，当科学家观察七鳃鳗的大脑时，他们看到的不只是一个古老物种。他们看到的，或许也是我们自己的过去。

而这条没有下巴的“活化石”，正默默保存着关于人类大脑起源的一段远古记忆。

1.https://www.science.org/doi/10.1126/science.aea2535

2.https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2026/6/566888.shtm

3.https://www.cas.cn/syky/202606/t20260618_5112847.shtml

作者：蝌蚪君

审核：刘颖 李培元 张超 杨柳

审核专家：张云峰 中国科学院动物研究所 研究员