研究揭示了哺乳动物小脑脑折叠的进化

来自英国的科学家利用56种哺乳动物样本的数据对小脑皮层的折叠进行了表征，从而使他们能够研究小脑折叠的多样性和进化，以及它与大脑解剖结构的关系。

巴斯德研究所今天发表在《eLife》上的这项研究表明，小脑的大小和折叠方式与不同物种大脑的大小和折叠方式密切相关，并表明大的小脑比小的小脑折叠得更多。此外，尽管不同物种的大脑大小存在巨大差异，但每个个体褶皱的大小似乎是不变的。

这些发现为小脑折叠的多样性和进化、大脑折叠的潜在机制及其对跨物种大脑组织的潜在影响提供了新的见解。

大脑是哺乳动物大脑中最大的部分，承担着广泛的职责，包括视觉、听觉以及运动的发起和协调。小脑体积较小，但包含大量神经元，在认知和运动中起着重要作用，包括肌肉控制、平衡和运动。虽然大脑是哺乳动物所特有的，但小脑存在于所有脊椎动物中。大脑折叠，即大脑表面形成脊状和沟槽的过程，大大增加了表面体积比，使更多的神经元能够在更小的体积中。这一过程被认为在大脑和小脑的发育、连接和组织中起着重要作用。

“研究小脑折叠是具有挑战性的，因为它的叶状结构小而丰富——小脑表面高度折叠的小叶状结构，”主要作者、法国巴黎巴斯德研究所的博士后研究员Katja Heuer解释说。“因此，人们对它的多样性和跨物种的进化知之甚少。”

为了解决这个问题，Heuer和他的同事检查了包括人类在内的56种哺乳动物的大脑结构数据，以探索小脑的进化及其与大脑和体型的关系。这些数据来自几个开放来源，包括人类数据的BigBrain项目，以及许多其他物种的比较哺乳动物大脑收集。为了可视化和分割数据，研究小组使用了他们之前开发的一种名为MicroDraw的网络工具。

他们开发了测量不同物种小脑叶的几何形状和估计小脑皮层分子层厚度的方法。他们还使用了timeree网站上的系统发育树数据，该数据描述了他们研究中所有物种从共同祖先到特定物种的进化血统。由于物种在进化上的相关性，它们是非独立的数据点，因此对研究小组来说，将系统发育树结构考虑进去是至关重要的。例如，小脑结构的变化可能是由于不同的进化过程、自然漂变或选择。因此，研究人员使用系统发育比较方法来确保他们的分析考虑到每个物种的进化关系和历史。

他们的结果显示了两组表型，或可观察到的特征。第一个是一组“多样化”的特征，这些特征在物种之间差异很大，包括体重、脑重量、小脑和大脑的面积和长度。这些都随身体大小变化了好几个数量级。第二组“稳定”性状的变化较小，包括叶面宽度和分子层厚度。这些特征仅随着大脑大小的变化而略有变化。

通过追踪该物种的进化路径，研究小组观察到一个强有力的模式，证明了大脑大小和身体大小的一致变化。灵长类动物，如人类，是这一趋势的异类，它们的大脑相对于体型来说更大。

此外，研究结果证实了小脑的大小与大脑的大小密切相关，并揭示了大的小脑比小的小脑折叠得更多。同样，小脑褶皱的宽度与分子层的厚度有关。这些模式在所有被研究的物种中都是高度保守的，这表明在哺乳动物的大脑和小脑折叠背后存在着一种共同的机制。

作者指出，这项研究有一些局限性。由于物种数量减少，只能分析全局神经解剖学测量。更多的物种将使研究局部变化成为可能，甚至可以对每个物种进行完整的3D重建。这从计算神经解剖学和系统发育比较方法的技术角度提出了挑战，同时也需要合作和开放科学。

资深作者、巴斯德研究所研究主任、应用和理论神经解剖学部门负责人罗伯托·托罗总结说:“我们的研究结果提供了一个更近距离观察宏观小脑解剖学的本质、它与大脑解剖学的关系、它在哺乳动物物种之间的多样性以及它的进化。”“研究结果向我们表明，导致小脑和大脑折叠的过程是相同的。在这两种结构中，折叠应该导致形成强保守的、机械分析的神经解剖学模块，这可能在它们的功能组织中起重要作用。”