所有哺乳动物的大脑都有一个新皮层，由六层神经元组成，这些神经元负责复杂的计算和连接，有助于提高认知能力。 科学家们对非哺乳动物大脑没有新皮层的现象非常感兴趣，他们正在探索大脑的这一复杂部分是如何发育的。 研究人员正在从爬行动物的大脑中寻找信息，因为它们是哺乳动物的近亲。 爬行动物的大脑有三层结构，称为囊脊（DVR），在功能上类似于新皮层。 在过去的五十年里，进化神经科学家一直在争论新皮层和DVR是否源自哺乳动物和爬行动物共同祖先的早期简单特征。
然而，通过研究看不见的分子的性质，科学家们开始质疑这种观点。 哥伦比亚大学的研究人员通过研究基因在单个脑细胞中的表征方式证明，尽管结构相似，但爬行动物DVR和哺乳动物新皮层之间没有直接联系。 令人惊讶的是，哺乳动物的大脑皮层似乎是全新的，没有任何祖先结构的残余。 它包含新的神经元类型，这在早期动物中并不常见。
去年9月，由进化和发育生物学家Maria Antononiettatosches领导的研究发表在《科学》杂志上。 这项研究表明，大脑在进化过程中的创新并不局限于创造新的成分。 Toshs和他的团队在同一期《科学》杂志上发表的其他研究表明，即使是看起来像古代大脑的区域也会通过整合新的细胞类型而改变。 对基因行为的研究揭示了神经元之间的显着差异。 这些发现促使研究人员重新思考如何对大脑的某些部分进行分类，并重新评估某些动物的大脑是否比以前认为的更复杂。
著名神经科学家保罗·麦凯伦（Paul McKellen）在20世纪60年代提出了大脑进化理论。 他认为基底神经节是大脑底部的一组结构，是爬行动物“蜥蜴脑”的残余物，负责控制行为和生存本能。 虽然这个理论后来被证明是错误的，但它对大脑产生了重大影响。 麦克莱恩认为，哺乳动物在基底神经节上方已经发展出调节情绪的边缘系统。 而在人类等高等哺乳动物的进化中，他提出了新皮层理论，被称为“思维帽”，它占据了大脑的顶部，促进了更高层次的认知。
卡尔·萨根（Carl Sagan）在2024年获得普利策奖的著作《伊甸园之龙》（The Dragon of Eden）引起了广泛关注，该书引入了“三位一体大脑”的概念。 然而，进化神经科学家对这种模型持怀疑态度。 研究很快推翻了这一模型，发现在进化过程中，大脑的不同区域并不总是随着时间的推移而堆叠在一起。 蒙特利尔大学（University of Montreal）的认知神经科学家保罗·西塞克（Paul Sisek）将这一过程比作整个系统共同进化和适应，而不仅仅是在iPhone上添加一个新应用程序，他解释说，大脑是一个整体进化，旧部分会适应新部分的添加。
加州大学圣地亚哥分校的哈维·卡顿（Harvey Caton）是一位进化生物学家，他认为哺乳动物的新皮层与爬行动物的DVR相似，这表明它们之间存在进化联系。 这是目前最广泛接受的关于新大脑区域出现的理论，这些区域主要是通过复制和改变现有结构和神经通路而进化的。 从进化的角度来看，它们被认为是同源的，这意味着它们是从哺乳动物和爬行动物的共同祖先进化而来的。
然而，西班牙莫西亚大学的Luispuelles等研究人员却持不同观点。 他们发现爬行动物和哺乳动物具有完全不同的发育过程，并且新皮层和DVR的形成方式不同。 这表明DVR和大脑皮层的进化可能不同。 因此，它们之间的任何相似之处都可能是巧合，受到这些结构的功能和局限性的影响，而不是来自共同的祖先。
大脑新皮层和DVR的起源已经存在了很长时间，但现在有一种新的方法来解决这个问题。 单细胞RNA测序技术使科学家能够分析单个细胞内活跃的基因转录。 进化神经科学家可以通过分析这些基因表达谱来揭示神经元之间的许多复杂差异。 他们可以利用这些差异来评估神经元之间的进化联系。
艾伦脑科学研究所（Allen Institute for Brain Science）的分子神经科学家Try**Ebakken解释说：“测量基因表达具有明显的优势，因为我们可以进行直接比较。 “当我们分析蜥蜴的基因A并将其与哺乳动物基因A进行比较时，我们基本上看到了相似的画面，因为它们具有共同的进化起源，”他解释说。 “这项技术标志着进化神经科学进入了一个新阶段。 根据马萨诸塞大学阿默斯特分校进化基因组学专家考特尼·巴比特（Courtney Babbitt）的说法，它揭示了以前未知的细胞群。
2015 年，Toshs 在德国马克斯·普朗克脑研究所的 Gilles Laurent 实验室做博士后研究工作，在那里他渴望使用单细胞 RNA 测序技术更深入地研究大脑皮层的起源，因为单细胞 RNA 测序技术的发展将分析细胞样本的能力提高了十倍。 三年后，Toshs和她的团队发表了他们的初步发现。 他们将和蜥蜴的神经元细胞类型与人类和小鼠的神经元细胞类型进行了比较。 爬行动物的DVR（大脑额叶）和哺乳动物的新皮层在不同的大脑区域进化，这表明基因表达的变化表明了这一点。
加州大学圣克鲁兹分校的分子神经科学家布拉德利·科尔奎特（Bradley Colquet）说：“2024年是一个重要的里程碑，因为它是第一个对哺乳动物和爬行动物的神经类型进行广泛分子分析的机构。 然而，Toshs和她的团队意识到，重要的是要了解爬行动物和哺乳动物神经细胞类型如何与在古代共同祖先中发现的神经元相对应，以确定这两个大脑区域不是来自同一个祖先。
科学家们选择在锋利的蝾螈的大脑中寻找线索，因为它们以能够将肋骨插入**作为防御而闻名。 锋利的蝾螈属于两栖动物，后来形成了不同的进化分支。 科学家们正试图确定蝾螈大脑皮层（位于大脑前部）的神经元和哺乳动物新皮层或爬行动物DVR（位于大脑前部）的神经元是否来自同一个祖先。
Tosches 团队在 2022 年对大量蝾螈的脑细胞进行了单细胞 RNA 测序，他们将新数据与之前从爬行动物和哺乳动物收集的信息进行了比较。 研究人员精心准备并标记了小蝾螈的大脑，这些蝾螈只有老鼠大脑大小的五分之一。 一台鞋盒大小的机器处理这些准备好的大脑，在大约 20 分钟内有效地准备所有样本进行测序。 Torsés强调，如果使用早期的技术，该过程可能需要长达一年的时间才能取得相同的进展。
通过对测序数据的分析，争议的解决变得更加明显。 蝾螈中的一些神经元与爬行动物DVR中的神经元相似，但其他神经元的排列方式较差。 这表明DVR的某些部分是从蝾螈和爬行动物共享的古代祖先的大脑皮层进化而来的。
此外，Tosches及其同事提出，某些类型的神经元仅在哺乳动物中进化。 这是因为新皮层中的某些细胞，尤其是构成该结构中大部分神经元的锥体神经元，与爬行动物的细胞不同。 Tosches和他的团队是第一个使用高精度单细胞RNA测序来验证这一想法的人，尽管这个想法之前已经由研究人员提出。
尽管爬行动物DVR的某些部分可能是从古代生物的大脑区域进化而来的，但Toshs和她的团队声称，哺乳动物的几乎整个新皮层都是一种进化创新。 哺乳动物的新皮层随着新型细胞的繁衍而出现。 加州大学欧文分校（University of California， Irvine）的神经科学研究员乔治·斯特里德特（Georg Stridett）对这一发现表示赞赏，并表示它们令人兴奋和出乎意料，因为它们帮助解决了长期存在的争议，证明哺乳动物的新皮层与爬行动物的DVR并不相似，因为它们没有共同的起源。
与三位一体大脑理论相反，Toshs团队的新发现表明，哺乳动物大脑的新皮层不仅叠加在较老的大脑区域;相反，随着新皮层的扩张和新的锥体神经元的形成，其他大脑区域也在同步进化。 这表明哺乳动物的大脑不仅仅是一个“蜥蜴大脑”。 事实上，新皮层内部日益复杂的情况可能推动了大脑其他部分的进化，这可能与我们之前所知道的相反。 它就像一个齿轮，每个部分相互作用并共同驱动大脑的进化。
在最近的一项研究中，Toshs和她的同事们发现，古老的大脑区域仍在进化。 该研究发表在2024年9月的《科学》杂志上。 Toshs与博士后导师Lauren合作进行了蜥蜴和小鼠大脑的比较研究，使用单细胞RNA测序来揭示新旧细胞类型之间的差异。 首先，他们比较了每个物种的神经细胞谱系，以确定共同的神经细胞类型，这意味着它们有一个共同的祖先。 之后，他们仔细研究了神经细胞类型的差异，发现了不同物种之间的差异。
他们的研究结果表明，不仅在被认为最近的区域，而且在整个大脑中，都有传统和新颖的神经细胞类型。 根据约翰·霍普金斯大学进化神经科学家Justuskebschull的说法，大脑中有一个“马赛克”，包括现代和中世纪的细胞类型。 不过，康奈尔大学（Cornell University）的进化神经科学家芭芭拉·芬利（Barbara Finley）认为，结束这场争论并不是那么简单。 她认为，研究神经元在发育过程中如何形成、迁移和建立联系，不仅仅是比较它们在成年两栖动物、爬行动物和哺乳动物大脑中的位置。
Toshs指出，两栖动物的大脑可能已经失去了早期共同祖先在进化过程中所拥有的一些复杂性。 为了验证这一想法，研究人员需要对现存两栖动物（如原始硬骨鱼）的单细胞RNA进行测序。 这项研究可能揭示了早期生物体中某些神经元类型的存在，这些神经元类型在哺乳动物中具有早期形式。 此外，Toshs和她的团队正在讨论大脑皮层的重新定义，以及哪些动物拥有大脑皮层，目前对大脑皮层的定义需要类似于新皮层或DVR的可见神经层。 然而，Toshs认为这个定义已经过时了，传统的神经解剖学标准。 使用新的测序工具，他们发现了蝾螈大脑中存在脑层的证据。
在这个问题上，托什斯强调，没有理由否认蝾螈或其他两栖动物的大脑皮层。 她建议，如果我们把“皮层”这个词用在爬行动物的大脑上，那么蝾螈大脑的皮层也应该被归类为皮层。 巴比特支持托什的观点，即基于传统的经典形态学定义可能不适合现代工具的发展。 这场辩论还涉及神经科学家对鸟类的看法。 尽管鸟类在认知能力上与许多哺乳动物不相上下，甚至超过许多哺乳动物，但它们是爬行动物的后代，不会像数字录像机（DVR）那样表现出可见的分层结构，但这些区域在鸟类的大脑中包含复杂的行为和技能。 然而，没有官方承认鸟类拥有大脑皮层。
根据Stridter的说法，Tosches团队的最新单细胞数据强调了一个重要问题：过分强调外观会导致科学家迷失方向。 这意味着我们不能仅根据外观来确定生物体之间的同源性。
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