研究人员通过对一种名为扁盘动物（placozoans）的微小海洋生物进行研究，揭示了神经元进化的意外线索。这些古老生物拥有特殊的分泌细胞，可能是高级动物中神经元的前体。研究表明，神经元的基础结构可能在8亿年前开始形成，其中肽能细胞类似于原始的神经元细胞。这些发现重新定义了我们对神经元进化轨迹的理解。

关键发现

• 扁盘动物是一种古老的微小海洋生物，其肽能细胞与原始神经元细胞具有相似性。

• 这些肽能细胞显示出神经发生的信号，拥有类似于突触前神经元结构的基因模块，并使用类似于神经肽驱动过程的通信系统。

• 神经元的进化可能源于扁盘动物的肽能分泌细胞，经过长时间的进化形成了今天复杂的神经系统。

研究背景

发表在《细胞》杂志上的一项研究为神经元的进化提供了新的视角，重点关注了扁盘动物——一种毫米大小的海洋生物。巴塞罗那基因组调控中心的研究人员发现，这些独特而古老的生物中的特殊分泌细胞可能是更复杂动物中神经元的起源。

扁盘动物是一种微小的生物，大小与一粒沙子相当，以生活在岩石和其他基质表面的藻类和微生物为食。它们的身体结构非常简单，没有任何器官或身体部位。这些生物被认为大约在8亿年前首次出现在地球上，是与栉水母、海绵、刺胞动物（如珊瑚、海葵和水母）以及两侧对称动物（所有其他动物）并列的五大动物谱系之一。

扁盘动物通过肽能细胞协调其行为，这些细胞释放小肽，可以引导动物的运动或进食。为了探索这些细胞的起源，研究作者采用了一系列分子技术和计算模型，以了解扁盘动物细胞类型的进化，并拼凑出我们远古祖先的可能样貌和功能。

重建古代细胞类型

研究人员首先绘制了所有不同扁盘动物细胞类型的地图，并注释了它们在四个不同物种中的特征。每种细胞类型都有特定的功能，这些功能来自某些基因集合。

这些“细胞图谱”使研究人员能够绘制这些基因模块的集群。随后，他们创建了控制这些基因模块的DNA调控区域地图，揭示了每种细胞的功能及其如何协同工作。最后，他们进行了跨物种比较，以重建细胞类型的进化过程。

研究发现，扁盘动物的九种主要细胞类型似乎通过许多“中间”细胞类型相互连接，这些中间细胞类型可以从一种类型转变为另一种类型。细胞通过生长和分裂维持动物运动和进食所需的细胞类型平衡。

此外，研究人员还发现了14种不同类型的肽能细胞，但这些细胞与其他细胞不同，没有中间类型或任何生长或分裂的迹象。

神经元进化的“垫脚石”

令人惊讶的是，肽能细胞与神经元有许多相似之处——神经元是在数百万年后才出现在更高级动物（如两侧对称动物）中的细胞类型。跨物种分析显示，这些相似性是扁盘动物独有的，并未出现在海绵或栉水母等其他早期分支动物中。

肽能细胞与神经元的相似性体现在三个方面：

1. 这些扁盘动物细胞通过类似于神经发生（新神经元形成的过程）的发育信号从上皮祖细胞群中分化出来。

2. 肽能细胞具有许多构建神经元突触前支架所需的基因模块，但它们缺乏突触后组件或传导电信号所需的组件。

3. 扁盘动物细胞类型通过G蛋白偶联受体（GPCRs）系统相互通信，这些受体检测外部信号并启动细胞内的一系列反应。

神经元的黎明

研究表明，神经元的构建模块在8亿年前就在古代地球浅海中悄然觅食的祖先动物中开始形成。从进化的角度来看，早期神经元可能类似于今天扁盘动物的肽能分泌细胞。这些细胞使用神经肽进行通信，但最终获得了新的基因模块，使细胞能够创建突触后支架、形成轴突和树突，并产生快速电信号的离子通道——这些创新对神经元的诞生至关重要。

然而，神经系统的完整进化故事仍有待揭示。第一个现代神经元被认为起源于约6.5亿年前刺胞动物和两侧对称动物的共同祖先。然而，栉水母中也存在类似神经元的细胞，尽管它们具有重要的结构差异，并且缺乏现代神经元中发现的大多数基因表达。

扁盘动物细胞中存在一些神经元基因，而在栉水母中缺乏这些基因，这引发了关于神经元进化轨迹的新问题。

未来研究方向

研究作者认为，随着全球研究人员继续对多种物种的高质量基因组进行测序，神经元起源和其他细胞类型进化的故事将变得越来越清晰。

“细胞是生命的基本单位，因此了解它们如何形成或随时间变化是解释生命进化故事的关键。扁盘动物、栉水母、海绵和其他非传统模式动物隐藏着我们刚刚开始解锁的秘密。”

参考文献

Sebastián R. Najle et al., “Stepwise emergence of the neuronal gene expression program in early animal evolution,” Cell (2023).