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鸟类能够使用工具、记住食物藏匿点、甚至理解因果关系——这些高级认知能力曾被认为依赖哺乳动物特有的六层新皮质。 然而，两项同期发表于 Science 的研究颠覆了这一观念。由Ikerbasque研究员Fernando García-Moreno领导的国际团队，利用空间转录组学、单细胞分析与数学建模，揭示了鸟类与哺乳类虽然拥有功能相似的神经回路，但其发育起源、细胞类型分子身份与遗传调控网络截然不同。这一发现将大脑皮层的演化图景从“同源结构的复杂化”改写为“收敛演化”——高级智能在脊椎动物演化史上至少出现了两次，通过完全不同的遗传路径实现。

传统观点：同源结构的复杂化

在脊椎动物大脑中，大脑皮层（pallium） 是处理感觉信息、执行认知功能的核心区域。哺乳动物的六层新皮质（neocortex）长期以来被视为认知能力巅峰的解剖基础。传统比较神经解剖学认为，鸟类、爬行动物的背侧大脑皮层与哺乳动物新皮质同源（homologous），即继承自共同祖先，仅在复杂程度上存在差异。这一观点基于神经元类型（兴奋性/抑制性）和基本连接模式的相似性。

然而，关键问题长期悬而未决：这些功能相似的结构，其胚胎发育机制与细胞类型的分子身份是否也保守？

研究一：发育起源的物种特异性

第一项研究（Rueda-Alaña et al.）聚焦于鸟类与哺乳类感觉神经回路在胚胎发育中的形成过程。研究团队采用空间转录组学（spatial transcriptomics），在组织原位解析数千个基因的表达模式，结合遗传谱系追踪与数学建模。

关键发现：

• 神经元出生地点与时间：在鸟类和哺乳类中，负责感觉处理的神经元分别由不同位置的神经前体细胞在不同发育时间产生；

• 基因调控网络差异：两类动物建立细胞身份所使用的转录因子组合完全不同；

• 结论：这些回路并非源自共同祖先的保守结构，而是独立演化出的功能类似结构——即收敛演化（convergent evolution）。

“它们的神经元在每个物种中出生在不同的位置和发育时间，”García-Moreno博士解释道，“这表明它们不是源自共同祖先的可比神经元。它们用来建立细胞身份的遗传工具因物种而异，每个物种都表现出新的独特细胞类型。”

研究二：细胞类型的分子图谱

第二项研究（Zaremba et al.）构建了鸟类大脑皮层的单细胞转录组图谱，并与哺乳类、爬行类进行系统比较。研究者对鸟类的多个皮层区域进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq），鉴定出数百种细胞类型及其标志基因。

关键发现：

• 抑制性神经元：鸟类保留了大多数存在于所有羊膜动物中的古老抑制性神经元类型，这部分在演化上高度保守；

• 兴奋性神经元：鸟类的兴奋性神经元（负责信息传递）则表现出独特的演化路径，与哺乳类对应细胞类型的分子相似性很低；

• 少数保守类型：仅少数细胞类型（如屏状核claustrum、海马）在鸟类和哺乳类中具有相似的分子特征，提示这些神经元在演化上非常古老。

“鸟类保留了数百万年来存在于所有其他脊椎动物中的大多数抑制性神经元，”García-Moreno指出，“然而，它们大多数兴奋性神经元在每一个物种中都通过新的、不同的方式演化。”

技术突破：空间转录组学与单细胞分析

两项研究代表了神经演化领域的技术前沿：

• 空间转录组学：在保留组织空间结构的前提下，同时测定数千个基因的表达，使研究者能够将分子身份与解剖位置直接关联；

• 单细胞RNA测序：以单个细胞分辨率解析细胞类型异质性，识别稀有细胞群体；

• 数学建模：用于推断演化过程中的细胞类型转化关系与发育轨迹。

演化启示：灵活的发育机制

这两项研究共同重塑了我们对大脑演化的理解：

1. 功能趋同，机制趋异：鸟类与哺乳类的高级认知功能是演化趋同的产物——它们各自独立发展出复杂的神经回路，但使用了完全不同的遗传“工具箱”。

2. 兴奋性神经元驱动创新：抑制性神经元在演化中相对保守，而兴奋性神经元是物种特异性演化创新的主要载体。

3. 发育灵活性：胚胎发育过程并非固定程序；自然选择可以在不同的发育阶段、利用不同的基因网络，塑造出功能相似的神经结构。

“我们的研究表明，演化找到了构建复杂大脑的多种解决方案，”García-Moreno总结道，“鸟类通过自身的机制发展出复杂的神经回路，没有遵循与哺乳动物相同的路径。这改变了我们理解大脑演化的方式。”

对神经科学的启示

这些发现对比较神经科学、发育生物学与人工智能领域均有深远影响：

• 动物模型选择：鸟类作为认知研究的模型，其神经机制不能简单套用哺乳动物框架；

• 神经发育障碍：不同物种中导致认知障碍的基因可能不同，需谨慎外推动物模型结果；

• 类脑计算：自然界存在两种实现复杂信息处理的方式，为人工神经网络架构提供新灵感。

参考信息
Reference 1: “Evolutionary convergence of sensory circuits in the pallium of amniotes” by Eneritz Rueda-Alaña, Rodrigo Senovilla-Ganzo, Marco Grillo, et al., 14 February 2025, Science.
DOI: 10.1126/science.adp3411

Reference 2: “Developmental origins and evolution of pallial cell types and structures in birds” by Bastienne Zaremba, Amir Fallahshahroudi, Céline Schneider, et al., 14 February 2025, Science.
DOI: 10.1126/science.adp5182