综述：灵长类大脑皮层发育中的进化性特化

《Current Opinion in Genetics & Development》：Evolutionary specializations in primate cortical development

　　

Jiamiao Yuan|Xuerui Zeng|Jichao Yin|Bing Su

中国科学院昆明动物研究所遗传进化与动物模型国家重点实验室，中国昆明650223

与其他许多哺乳动物相比，灵长类动物展现出独特的认知和行为特征。这些能力并非由全新的大脑皮层结构所赋予，而是由于大脑皮层内部协调的进化改造而形成的。为了阐明这些过程的复杂性，本综述采用了一种从宏观到微观、从结构变化到潜在机制的分析框架。我们综合了最新研究成果，特别关注了单细胞多组学和中观尺度脑成像等新兴技术揭示的多层次特征。这些发现为理解塑造灵长类皮层组织的进化过程提供了洞见，并为探究人类脑部疾病的遗传和细胞基础奠定了概念基础。

引言

与其他大多数哺乳动物相比，灵长类动物（尤其是旧世界类人猿，包括旧世界猴子、猿类和人类）具备复杂的认知和行为能力，如决策、社会认知以及工具的制作和使用。这些功能并非分散分布在整个大脑中，而是主要集中在大脑皮层中，尤其是前额叶-顶叶-颞叶联结网络，该网络构成了核心的计算平台1, 2。该网络内的信息整合和输出通过分层微回路和长距离区域间投射来实现3, 4。理解皮层结构的进化变化如何促进灵长类动物的认知能力仍然是进化神经科学中的一个核心问题。

来自跨物种比较神经解剖学、连接组学和功能研究的证据表明，灵长类动物大脑的独特特征并非由全新大脑区域的出现所导致，而是先前存在的神经回路和功能的协同重塑和整合的结果。这种重塑体现在三个相互关联的方面：(1) 不同皮层区域的相对大小、细胞结构和连接模式存在差异4, 5, 6；(2) 特定区域内的细胞类型发生多样化和特化，从而增强了跨模态信息整合[7]；(3) 新基因和调控元素通过调节时空基因表达程序影响了发育轨迹，从而促进了区域特化和细胞类型的分化[8]。宏观大脑组织、微观细胞组成和分子遗传机制的整合揭示了包括灵长类动物在内的不同哺乳动物谱系中皮层组织和发育调控的进化差异。

单细胞多组学和中观尺度脑成像技术的最新进展为高分辨率分析基因表达、细胞类型图谱和神经元投射模式提供了可能6, 9, 10, 11, 12, 13, 14。本综述旨在综合关于灵长类动物皮层发展的最新发现，特别关注单细胞分辨率下揭示的精细轴突定位和分支模式，以及猕猴（作为旧世界猴子的代表）与人类共有的特征，这些特征在非灵长类动物（如小鼠）中不存在或存在显著差异。这些发现共同强调了大脑区域、细胞类型和调控程序层面的进化变化是如何共同塑造灵长类动物认知神经基础的。

节片

灵长类动物皮层组织的宏观特征：规模、结构和连接性

与灵长类动物相关的许多认知和行为特征与大腦皮层（尤其是前额叶皮层PFC）的扩张和重组有关14, 15, 16, 17, 18, 19, 20。这种适应性重组可能是由于灵长类PFC的成熟延迟所致，这种异时性变化可能有利于其扩展后的回路在发育过程中的竞争优势，这与位移假说一致[21]（见框1）。基于Brodmann的分类……

灵长类动物皮层进化的微观特征：灵长类特有细胞类型

灵长类新皮质经历了不成比例的扩张，尤其是在联合皮层中。神经元数量、神经元大小与大脑大小之间的比例关系在啮齿类和灵长类动物之间存在差异，反映了它们不同的发育和进化轨迹29, 30。这种策略使得在有限的大脑体积内实现密集的神经元排列，从而最大化了计算能力。尽管皮层的基本细胞组成在整个哺乳动物中大致保持一致，……

灵长类动物皮层进化的分子机制：灵长类特有基因和调控元素

基因组和分子变化是灵长类动物皮层进化的重要因素，它们影响了神经发生、细胞命运、连接性和整体结构。灵长类大脑皮层的扩张为复杂的认知功能提供了形态学基础。最近的比较基因组学、单细胞转录组学和表观遗传学研究表明，这一扩张过程不仅仅是保守发育基因表达量变化的结果，而是与……

结论与未来方向

本综述强调了与灵长类动物皮层发育和进化相关的分子、细胞和解剖学特征。从皮层扩张和卷曲等宏观特征，到神经元前体增殖、中间神经元特化和锥体神经元多样化等微观过程，再到基因调控网络以及谱系特异性基因和调控元素的出现，这些变化共同塑造了灵长类动物独特的皮层特征。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了云南省研究项目（项目编号202305AH340007，资助对象B. Su）和国家自然科学基金（项目编号32500377，资助对象J. Yuan）的支持。