《科学》当期封面。昆明动物所供图

如果你看过科幻巨制《沙丘》，一定对体形巨大的“沙虫”穿梭沙漠的画面印象深刻。很多人认为，“沙虫”原型来自一种真实存在的生物——七鳃鳗。自中世纪以来，七鳃鳗便是欧洲贵族餐桌上的珍馐。英国王室更有一个延续800多年的传统——在加冕典礼、周年庆典等特殊场合，要吃一种特殊的“七鳃鳗派”。

如今，这种“皇室名菜”中的食材，正为现代科学提供一把解开人类演化之谜的钥匙。

中国科学院昆明动物研究所（以下简称昆明动物所）研究员宿兵团队与合作者首次构建了无颌类脊椎动物七鳃鳗的全脑三维空间单细胞图谱，最大程度重建了脊椎动物脑的祖先状态，揭示了神经元在5亿年演化中的奇妙转变。6月19日，相关成果以封面论文形式在线发表于《科学》。

“活化石”藏着惊人保守性

要寻找脊椎动物大脑的雏形，必须找到合适的“时间胶囊”。七鳃鳗在约4.5亿年前与包括人类在内的有颌类脊椎动物分化，其核心形态特征在化石记录中保持了长达3.6亿年的高度稳定，是公认的“活化石”。

论文共同第一作者、昆明动物所博士研究生吴海旭介绍：“我们研究使用的雷氏七鳃鳗，以及国内现存的东北七鳃鳗、日本七鳃鳗，都已被列为国家二级保护动物了。”

雷氏七鳃鳗的长度仅20厘米左右，自由生活，不像其他寄生生活的七鳃鳗那样，吸食其他鱼类的血液。体形小，意味着其脑结构更微小，这对空间转录组分析提出了极高的操作要求。

论文共同通讯作者宿兵介绍，过去的研究面临两难境地——经典神经解剖学能看清形态，却读不出分子身份；传统单细胞测序能识别细胞类型，却丢失了空间位置。

针对这一问题，研究团队创新性地将高精度空间转录组技术和单细胞核转录组测序技术相结合，试图绘制一幅“高清细胞身份地图”。

然而，获取高质量样本的过程堪称一场“极限挑战”。吴海旭回忆了实验中最紧张的时刻：“七鳃鳗死亡后，脑组织中的RNA会快速降解。为了得到高质量数据，从连续切片到染色、拍照确认，必须在3小时内完成且不能出错。”

为此，他们与华大生命科学研究院和辽宁师范大学合作团队进行了充分筹划和反复演练。

“实验时，技术娴熟的操作员在操作，我们五六个人在他周围屏着呼吸盯着看：每切一张，就要尽快贴到芯片上开展后续实验，之后立马再切一张去做染色，其间还要拿摄像机记录切片在脑组织中的位置。但凡其中一张切片出现一点儿失误，整个三维图谱的重构就不完整了。”提起当时的实验场景，吴海旭仍历历在目。

当3小时的极限操作顺利完成，大家不禁欢呼了起来。“我们完成了超过200张连续不断的切片，选取其中质量最高的40张继续开展分析研究。”吴海旭说。

这份来之不易的图谱覆盖了46万余个细胞，精确划分出14个主要脑区。令人震惊的是，当团队将七鳃鳗与小鼠的三维数据进行比较时，发现两者在脑区水平上的转录组保守性远超预期。

“七鳃鳗脑中的神经元为百万级别，而小鼠是上亿个，看似差别很大，但两者原始脑区的空间分布非常接近。”宿兵说。例如，七鳃鳗嗅球与小鼠嗅球同样具备典型的分层结构，菱脑也保留了与有颌类一致的分节框架。

这说明，脊椎动物脑的主体框架在过去5亿年演化中几乎没怎么改变，这些“不变”的“祖先蓝图”，支撑了脊椎动物最基本的神经环路与生存功能。

“兼职”与“专职”神经元

在广泛保守的背景下，演化也带来了持续的创新。

研究团队整合了七鳃鳗、斑马鱼以及小鼠、猕猴等8个代表性脊椎动物的数据，揭示了一个出人意料的神经元演化图景。

在哺乳动物大脑中，兴奋性神经元和抑制性神经元分子表达截然不同，并且在功能上相互拮抗。但在七鳃鳗和斑马鱼等非羊膜类动物中，团队发现一类特殊的神经元同时共表达兴奋性和抑制性标记基因。

“我们可以将其理解为兼具双重分子特征的‘兼职’（AEN）神经元。”吴海旭介绍，这类神经元在七鳃鳗脑中占据主导地位，占比约94%。而在后续演化中，从斑马鱼开始，有颌类脑中逐渐出现了功能特化的“专职”神经元；到了羊膜动物中，“兼职”的AEN神经元显著减少甚至几乎消失。

是什么驱动了神经元从“兼职”到“专职”的转变？宿兵解释说：“这就像计算机的发展。早期的单板机，输入、输出和数据处理全在一个硬件里完成；而后期演化出了中央处理器、图形处理器、内存等分工更明确的部件。人有1000亿个神经元，正是有了明确的分工，才能提供高效的神经信号传导。”

研究团队推断，这一转变可能与脊椎动物演化中的第二轮全基因组复制事件有关。基因拷贝的冗余为细胞类型的空间特化奠定了遗传基础。例如，七鳃鳗中相关基因是单拷贝并广泛表达，而哺乳动物的旁系同源拷贝则呈现明显的空间分化。

“抽丝剥茧”寻找原始小脑雏形

小脑究竟何时起源？这是比较神经解剖学界长期争论的焦点。所有现存有颌类均呈现保守的层状小脑，那七鳃鳗有没有小脑？

为解答这一问题，团队在七鳃鳗脑中识别出一个推定的“小脑样区域”，并与斑马鱼进行系统比较。

“这个过程非常折磨人。”吴海旭坦言，“我们一度找不到该从哪一个角度切入，反复调参数和分析方法，折腾了好几个月。后来我们通过实验补充了斑马鱼的数据，经过不断积累，才有了更准确的解读。”

在形态学层面，七鳃鳗的小脑样区域缺乏明显的细胞分层组织模式，但在分子层面，结果却令人意外。研究团队识别出一个特异细胞簇，其转录组特征与斑马鱼小脑中间神经元高度相似。同时，成体七鳃鳗小脑样区域显示出与小鼠小脑早期发育的转录组相似性。

这表明，七鳃鳗并非完全没有小脑，而是可能存在一个弥散分布的、以类小脑中间神经元为主导的“原始小脑雏形”，代表了脊椎动物祖先的小脑状态。

目前，该研究构建的七鳃鳗脑三维可视化图谱数据已正式上线CNGB数据库，向全球开源，以期为未来解析人类复杂认知起源与脑疾病机制提供依据。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.aea2535

（原载于《中国科学报》 2026-06-22 第1版 要闻）