大脑神经回路基础分子程序的进化起源

脊椎动物的皮层中存在着彼此独立演化而来的结构，然而这些结构却支持着显著相似的感觉与认知回路架构。驱动这些平行皮层回路出现的机制及其演化时间节点仍未得到阐明。在此，我们整合了来自8种具有代表性的脊椎动物物种、跨越约5亿年演化历程的空间转录组学与单核RNA测序数据集，以重建初级感觉—古皮层（Pr-Al）分子轴的演化组装过程；该分子轴是我们先前工作中定义的一条保守的皮层层级轴。我们发现，Pr样和Al样神经元身份在肉鳍类中均表现出深度保守性，涵盖所有四足动物和肉鳍鱼。值得注意的是，这种祖先性神经元同源性与空间分区式模式形成相互脱耦：只有四足动物进一步将这些Pr-和Al-神经元区隔到不同的皮层区域中。对Pr-和Al-基因程序的功能富集分析揭示出一个保守的四足动物遗传核心组件集合，其中包括MAPK信号传导和轴突导向通路。该核心工具箱从两栖类到哺乳类经历了连续的功能精细化。尤其值得注意的是，哺乳动物和鸟类趋同演化出了富集突触调控基因的联合皮层分子特征，以支持高级认知功能。总体而言，本研究描绘了一个脊椎动物皮层逐步演化的范式，解释了保守的分子模块如何在深远的演化时间尺度上塑造空间有序的脑回路。

脊椎动物的皮层包含着彼此独立演化而来的结构，然而这些结构却支持着显著相似的感觉与认知回路架构。驱动这些平行皮层回路出现的机制及其演化时间节点迄今仍未得到阐明。在本研究中，我们整合了来自8种具有代表性的脊椎动物物种的空间转录组学和单核RNA测序数据，这些物种跨越了约5亿年的演化历史，以重建初级感觉-古皮层（primary sensory-allocortical, Pr-Al）分子轴的演化组装过程；该轴是我们先前工作中定义的一条保守的皮层层级轴。我们发现，Pr样和Al样神经元身份在肉鳍类中具有深度保守性，涵盖所有四足动物和肉鳍鱼。耐人寻味的是，这种祖先性的神经元同源性与空间分区式模式形成相互脱耦：只有四足动物进一步将这些Pr-和Al-神经元分隔到不同的皮层区域中。对Pr-和Al-基因程序的功能富集分析揭示出一个四足动物保守的遗传核心组合，其中包括MAPK信号通路和轴突导向通路。该核心工具箱从两栖动物到哺乳动物经历了连续性的功能精细化。值得注意的是，哺乳动物和鸟类趋同演化出了富含突触调控基因的联合皮层分子特征，以支持高级认知功能。总体而言，本研究描绘了一种脊椎动物皮层逐步演化的范式，解释了保守的分子模块如何在深远的演化时间尺度上塑造空间有序的脑回路。

Stereo-seq的芯片、流程及其应用已被待审专利覆盖。BGI员工持有BGI股票。其余所有作者声明不存在竞争性利益。

感谢您有兴趣帮助传播bioRxiv的信息。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.06.29.735061v1?rss=1

🏷️ 神经回路进化 皮层分子程序 空间转录组学 单核RNA测序 脊椎动物比较 趋同演化