大約8 億年前，我們的腦細胞組成部分開始在淺海中形成。發表在《細胞》（Cell）雜誌上的研究為神經元的演化提供了新的視角，研究重點是一種毫米大小的海洋動物–胎生動物。巴塞隆納基因組調控中心的科學家發現，這些古老而獨特的動物體內的特化分泌細胞可能孕育了更複雜動物的神經元。

H2 的共聚焦顯微鏡下細胞核圖像（按深度著色），H2 是胎生動物的四個物種之一，該研究的作者為其繪製了細胞圖譜。圖片來源：Sebastian R. Najle/基因調控中心

胎生動物是一種微小的動物，大約只有一粒大沙粒大小，在溫暖的淺海中以生活在岩石表面和其他基質上的藻類和微生物為食。這種形狀像圓球和薄餅的生物非常簡單，沒有任何身體部位或器官。

這些動物被認為是在大約8 億年前首次出現在地球上，是與櫛水母綱（Ctenophora）、多孔綱（Porifera）、腔腸綱（Cnidaria）（珊瑚、海葵和水母）和雙鞭毛目（Bilateria）（所有其他動物）並列的五大動物門類之一。

這些海洋生物透過肽能細胞協調自己的行為，肽能細胞是一種特殊類型的細胞，能釋放小肽來指揮動物的運動或進食。在對這些細胞起源的好奇心驅使下，這項研究的作者們採用了一系列分子技術和計算模型，以了解胎生動物細胞類型是如何進化的，並拼湊出我們遠古祖先的外觀和功能。

重建古代細胞類型

研究人員首先繪製了一張所有不同胎生動物細胞類型的地圖，並標註了它們在四個不同物種中的特徵。每種細胞類型都有特定的作用，這些作用來自於特定的基因組。這些地圖或”細胞圖譜”讓研究人員能夠繪製出這些基因的集群或”模組”。然後，他們繪製了控制這些基因模組的DNA 調控區域圖，從而清楚地顯示了每個細胞的作用以及它們是如何協同工作的。最後，他們進行了跨物種比較，重建了細胞類型的演化過程。

在顯微鏡下觀察毛鱗蟲H2 標本的延時影片。資料來源：Sebastian R. Najle/Centro de Regulación Genómica

研究表明，胎生動物的九種主要細胞類型似乎是由許多”中間”細胞類型連接起來的，它們從一種類型轉變為另一種類型。這些細胞不斷生長和分裂，維持動物移動和進食所需的細胞類型的微妙平衡。研究人員還發現了14 種不同類型的肽能細胞，但這些細胞與所有其他細胞都不同，沒有顯示任何中間類型，也沒有任何生長或分裂的跡象。

令人驚訝的是，肽能細胞與神經元有許多相似之處–這種細胞類型直到數百萬年後才出現在更高級的動物體內，如雙毛目動物。跨物種分析表明，這些相似之處是胎生動物所獨有的，並沒有出現在海綿或櫛水母等其他早期分支動物身上。

進化的墊腳石

肽能細胞與神經元之間的相似性體現在三個方面。首先，研究人員發現，這些胎生動物細胞是透過發育訊號從原生上皮細胞群分化出來的，這種訊號類似於網蟲和雙足綱動物的神經發生過程，即新神經元的形成過程。

其次，他們發現肽能細胞具有許多基因模組，這些模組是建構神經元中能夠發出訊息的部分（突觸前支架）所必需的。然而，這些細胞遠非真正的神經元，因為它們缺乏神經元訊息接收端（突觸後）的組件或傳導電訊號所需的組件。

最後，作者利用深度學習技術表明，胎生動物細胞類型之間的交流是透過細胞內的一個系統進行的，在這個系統中，被稱為GPCR（G-蛋白偶聯受體）的特定蛋白質會檢測到外部訊號，並在細胞內啟動一系列反應。這些外部訊號由神經肽介導，神經肽是神經元在許多不同生理過程中使用的化學信使。

這項研究的共同第一作者、基因組調控中心博士後研究員塞巴斯蒂安-納伊爾（Sebastián R. Najle）博士說：”我們對這些相似之處感到震驚。胎生動物的肽能細胞與原始神經細胞有許多相似之處，儘管它們還沒有達到那種程度。這就像是在看一塊進化的墊腳石。”

神經元的曙光

這項研究表明，8 億年前，在遠古地球淺海中吃草的祖先動物中，神經元的構件正在形成。從演化的角度來看，早期的神經元最初可能類似於今天胎生動物的勝肽能分泌細胞。

這些細胞利用神經肽進行交流，但最終獲得了新的基因模組，使細胞能夠創建突觸後支架，形成軸突和樹突，並創建產生快速電信號的離子通道–這些創新對於胎生動物祖先首次出現在地球上後約一億年神經元的出現至關重要。

然而，神經系統的完整進化故事仍有待考證。據認為，第一個現代神經元起源於大約6.5 億年前的刺胞動物和兩棲動物的共同祖先。然而，櫛水母中也存在類似神經元的細胞，儘管它們在結構上有很大差異，而且缺乏現代神經元中大多數基因的表達。胎生動物細胞中存在其中一些神經元基因，而櫛孔動物中卻沒有，這引發了有關神經元進化軌跡的新問題。

“胎生動物缺乏神經元，但我們現在發現它們與我們的神經細胞有著驚人的分子相似性。櫛水母有神經網，與我們的神經網有關鍵的不同之處，也有相似之處。神經元是一次進化然後分化，還是不止一次並行進化？它們是馬賽克嗎，每一塊都有不同的起源？這些都是有待解決的懸而未決的問題”，該研究的共同第一作者、基因組調控中心博士後研究員澤維爾-格勞-博韋（Xavier Grau-Bové）博士說。

該研究的作者相信，隨著世界各地的研究人員繼續對不同物種的高品質基因組進行測序，神經元的起源和其他細胞類型的進化將變得越來越清晰。

“細胞是生命的基本單位，因此了解細胞如何產生或隨時間變化是解釋生命進化故事的關鍵。胎生動物、櫛水母、海綿和其他非傳統模式動物蘊藏著我們剛開始揭開的秘密，”研究的通訊作者、基因組調控中心初級組組長、ICREA研究教授Arnau Sebé-Pedros總結。