5 億年前的大腦長什么樣？答案藏在這條沒下巴的魚身上

5億年前的脊椎動物大腦長什么樣，一直是演化生物學中最難回答的問題之一。原因很簡單：骨骼能夠留下化石，大腦卻很難保存下來。

大腦這種柔軟組織在動物死亡后會迅速分解，即便是保存條件極其特殊的化石，也極少能夠留下完整的大腦結構信息。因此，人們雖然知道脊椎動物在遠古時期已經出現，卻始終不知道最早的大腦究竟是什么模樣。

圖片來源：中科院網站

不過最近，中國科學家完成的一項研究，為這個問題提供了迄今最清晰的答案。而幫助他們破解謎題的，竟然是一種看起來有些“奇怪”的古老生物——七鰓鰻。

一條活了數億年的“活化石”

在脊椎動物演化史上，七鰓鰻有著特殊的地位。

它沒有上下開合的下巴，嘴巴像一個圓形吸盤，里面長滿角質小齒，看起來甚至有些“外星生物”的味道。

在科學家眼中，七鰓鰻是一件珍貴的“活化石”。所謂活化石，并不是說它在分子或基因組層面幾億年沒變，而是指它的核心形態特征（如吸盤口器、無頜結構）在化石記錄中表現出驚人的保守性，保留了許多遠古祖先的關鍵特征。

圖片來源：中國科學院昆明動物研究所

大約5億年前（寒武紀晚期至奧陶紀早期），脊椎動物演化史上發生了一次重要分家。其中一支逐漸演化出了能夠開合的上下頜，最終形成了今天魚類、兩棲動物、爬行動物、鳥類以及哺乳動物所屬的“有頜類”。另一支則保留了沒有下巴的原始結構，另一支則保留了沒有下巴的原始結構，與有頜類構成姐妹群關系，七鰓鰻與盲鰻正是這一古老無頜譜系現存的兩大代表，它們共同組成了圓口綱（Cyclostomata）。

如果想了解早期的脊椎動物大腦是什么樣子，七鰓鰻無疑是最重要的研究對象之一。

給大腦拍一張“46萬個細胞的全景照”

過去很長時間里，研究大腦有一個難題。傳統解剖學能夠看清腦區的位置和形態，卻難以了解細胞內部發生了什么；單細胞（核）測序技術能夠識別不同細胞的基因表達特征，卻會丟失這些細胞原本所在的位置。

這有點像研究一座城市。你既想知道有哪些類型的建筑，也想知道它們分別位于哪個街區。僅僅知道建筑類型，卻不知道城市布局，很難真正理解整座城市是如何運轉的。

這一次，研究團隊利用空間轉錄組技術和單細胞核RNA測序技術，分別獲取了細胞類型信息和空間位置信息，再通過計算整合將兩者對應起來。

七鰓鰻全腦3D重構示意圖 圖源：中國科學院昆明動物研究所

他們連續獲取七鰓鰻腦組織切片的數據，再通過算法進行三維重建，最終獲得了超過46萬個具有精確空間坐標的細胞信息；通過與單細胞核測序數據的整合，解析出200多種細胞類型和狀態。這相當于給七鰓鰻的大腦拍攝了一套超高清“全景照片”。

借助這張前所未有的腦地圖，研究人員終于能夠把七鰓鰻與現代脊椎動物放在同一個框架下進行比較。而比較結果，比很多人預想的更加有趣。

原來，5億年前的大腦已經不簡單了

長期以來，人們往往認為復雜大腦是漫長演化的產物。按照這種直覺，5億年前的脊椎動物祖先剛剛出現不久，大腦應該相對簡單；那些復雜的腦區結構和神經網絡，則是在后來的演化過程中逐漸形成的。但研究發現，情況可能并非如此。

當研究團隊將七鰓鰻與小鼠的大腦進行比較時，發現兩者在不少關鍵區域竟然存在明顯的相似性。例如負責處理氣味信息的嗅球，都具有相近的組織特征；后腦區域的分節結構也表現出高度一致性；一些核心神經細胞類型甚至保留著相似的分子特征。

七鰓鰻腦的三維轉錄組圖譜與脊椎動物腦進化 圖源：中科院網站

這些發現傳遞出一個重要信息：脊椎動物共同祖先的大腦，可能已經擁有相當清晰的區域劃分和豐富的細胞類型。

換句話說，現代脊椎動物大腦的許多基礎框架，或許早在5億年前就已經搭建完成。后來的演化并不是從零開始建造一座新房子，而更像是在已有地基和主體結構的基礎上不斷擴建、裝修和升級。

這個結論也改變了人們對于大腦演化過程的一些傳統認識。復雜腦結構的出現時間，可能比過去認為的更早。

神經元也經歷過“兼職時代”

這項研究中最有趣的發現之一，來自神經元的演化過程。

我們今天的大腦中，神經元通常分工明確。有些負責發送興奮信號，相當于踩油門；有些負責發送抑制信號，相當于踩剎車。兩類神經元各司其職，共同維持神經系統的正常運轉。

然而科學家發現，在七鰓鰻和斑馬魚等非羊膜類脊椎動物的大腦中，存在大量同時表達兩類標志基因的神經元。它們既帶有“油門”特征，也帶有“剎車”特征。研究團隊將其稱為AEN神經元。

如果打個比方，它們就像創業公司里的早期員工。公司剛成立時，一個人可能既負責產品設計，又負責市場推廣，還兼顧客戶服務。隨著企業不斷發展，職責逐漸細化，才會出現產品經理、市場經理和客服等專門崗位。

成體雷氏七鰓鰻（Lethenteron reissneri） 圖源：中科院網站

神經元的演化似乎也經歷了類似過程。早期神經元往往身兼數職，而隨著脊椎動物不斷演化，尤其是在羊膜動物出現之后，神經元開始向更加專業化的方向發展，最終形成羊膜動物（包括哺乳類）大腦中高度精細的功能分工體系。

從某種意義上說，大腦復雜性的提升，不只是細胞數量增加，更重要的是細胞之間的“職業分化”。

七鰓鰻到底有沒有小腦？

除了神經元，研究還回答了另一個爭論多年的問題。那就是：七鰓鰻有沒有真正意義上小腦？

對于人類來說，小腦非常重要。雖然它只占腦體積的一小部分，卻參與運動協調、姿勢控制以及部分認知活動。

長期以來，科學家一直不確定無頜類動物是否擁有真正意義上的小腦。傳統觀點認為，小腦是有頜類脊椎動物才具備的“高級”結構。因為從外觀上看，七鰓鰻并沒有現代魚類或哺乳動物那樣層次分明的小腦結構。

但這次研究發現，在七鰓鰻腦部特定區域中，存在與現代魚類小腦神經元高度相似的細胞群。這說明七鰓鰻并非完全沒有小腦。更準確地說，它擁有一種較為原始的小腦雛形。雖然結構簡單，卻可能代表著脊椎動物祖先小腦的早期狀態。這意味著，小腦的起源時間也許比過去認為的更早。

從一條魚，看見人類大腦的來處

今天的人類擁有已知動物界最復雜的大腦。它能夠思考、創造、想象未來，也能探索宇宙和生命本身。但再復雜的大腦，也不是憑空出現的。它同樣經歷了漫長的演化歷程。

這項研究的重要意義，不僅在于繪制了一張七鰓鰻的大腦地圖，更在于幫助科學家向前追溯，尋找脊椎動物大腦最初的模樣。

圖源：中國科學院古脊椎動物與古人類研究所

從某種意義上說，當科學家觀察七鰓鰻的大腦時，他們看到的不只是一個古老物種。他們看到的，或許也是我們自己的過去。

而這條沒有下巴的“活化石”，正默默保存著關于人類大腦起源的一段遠古記憶。

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

審核：劉穎 李培元 張超 楊柳

審核專家：張云峰 中國科學院動物研究所 研究員