自然界中，形形色色的动物行为均依赖神经系统的演化。而在观察、记录和描述各种动物行为时，我们却很少了解神经系统在不同时间尺度上的演化是如何发生的。近日，《自然-生态与进化》（Nature Ecology & Evolution）在线发表了中国科学院动物研究所李枢强团队完成的最新研究成果。该研究结合比较基因组和大脑单细胞图谱构建，发现蜘蛛中类蘑菇体（mushroom body-like ）神经元的演化可能是蜘蛛从原始打洞到空中结网行为转变的关键驱动因素。蜘蛛最显著的行为是结网行为，但并非所有蜘蛛都结网。早期的蜘蛛营地表打洞生活。在约两亿年前，随着被子植物的繁盛，转向在三维空间中结网的蜘蛛逐渐增多，并占领空中生态位。为了解析从打洞到结网的行为演化过程中蜘蛛神经系统如何改变，该研究对一种结网蜘蛛的大脑进行了单细胞转录组测序，发现了蜘蛛中存在大量古老的神经元类型：蜘蛛中可能保留了在脊椎动物中广泛存在而在昆虫等无脊椎动物中丢失的去甲肾上腺素系统；蜘蛛保留了大量的神经肽能神经元。该研究通过进一步与果蝇的大脑神经元类型进行比对发现，蜘蛛大脑存在大量的特异神经元。基于线虫、昆虫和蛛形纲类群的跨物种比较，研究推测，祖先基因的保留以及多次的基因加倍事件可能是蜘蛛神经元特化的重要驱动因素。为了探讨结网蜘蛛的基因组特点，该研究对节板蛛和地蛛两类原始打洞蜘蛛的基因组进行测序。研究结合比较基因组、多组织的转录组和大脑单细胞数据集发现，结网蜘蛛祖先中受到正选择的基因大量表达在脑部，特别是约1/3的基因表达在类蘑菇体神经元中。通过功能富集、原位杂交、RNAi干扰和行为实验，该工作最终证实了蘑菇体的演化对蜘蛛结网行为的出现具有关键作用。综上，利用蛛形纲主要谱系代表物种和六种蜘蛛的基因组，结合蜘蛛的大脑单细胞测序，科研人员重现了蜘蛛捕猎和结网行为的完整演化路径。该团队在蜘蛛中发现的去甲肾上腺素系统，打破了对脊椎动物和节肢动物分别利用不同神经递质的传统认知，为探讨动物神经系统的演化提供了重要依据。该工作综合基因组学、转录组学和单细胞转录组学以及行为学和神经生物学实验，为探索动物行为多样性的起源和演化提供了新的研究策略。研究工作得到中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金面上项目和中国科学院动物进化与系统学重点实验室开放课题的支持。清华大学的科研人员参与研究。论文链接蜘蛛大脑的主要结构蜘蛛的大脑细胞类型蜘蛛结网行为的演化路径和关键神经系统创新