Ancient Somatosensory Circuit Architectures Employ Flexible Molecular Strategies
这项研究表明，尽管体感系统的核心解剖结构在脊椎动物中高度保守，但调控小丑魟感觉神经元特化的分子程序却与哺乳动物显著不同，从而证明了稳定的神经回路可以支持灵活的进化策略。
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所有拥有脊椎的动物，从最小的鱼到最大的鲸鱼，都依赖神经系统来感知世界。这个系统必须能够分辨轻柔的触碰、尖锐的疼痛以及肢体在空间中的位置。在哺乳动物中，这项工作由聚集在被称为背根神经节的细胞簇中的大量专门神经细胞来完成。这些细胞充当守门人，将信号从皮肤和肌肉发送到脊髓，在那里它们连接到特定的神经元层以处理这些信息。几十年来，科学家们一直想知道这些复杂的电路是如何构建的。是所有的脊椎动物都使用相同的分子蓝图来决定哪个神经细胞成为痛觉传感器，而哪个成为触觉传感器吗？还是不同的动物谱系分支发明了自己独特的指令来解决同一个问题？
为了回答这个问题，研究人员转向了一种代表脊椎动物古老分支的生物：小鳐（little skate）。这种扁平的软骨鱼是鲨鱼和鳐鱼的远亲，在数亿年前就已从通向人类的谱系中分化出来。与哺乳动物不同，鳐鱼拥有相对简单的神经系统，缺乏陆生动物中发现的许多专门神经纤维。通过研究小鳏，科学家可以回顾过去，观察在进化成人类和其他陆生动物所见的复杂机制之前，原始的脊椎动物神经系统是什么样子的。核心问题在于，这些电路的物理布局是所有脊椎动物共有的深层且不变的特征，还是构建它们的分子指令随着时间的推移发生了剧烈的变化。
来自纽约大学格罗斯曼医学院及合作机构的一个科学家团队致力于以史无前例的细节绘制小鳏的神经系统图谱。他们专注于两个关键区域：感觉神经细胞居住的背根神经节，以及这些细胞发送信号的背侧脊髓。利用能够让研究人员同时读取数千个个体细胞遗传活动的高级技术，他们创建了小鳏感觉系统的分子图谱。他们还使用高分辨率成像方法来观察这些基因在组织中的精确表达位置，揭示了细胞的物理排列。
研究人员发现，小鳏神经系统的物理架构与哺乳动物非常相似。就像人类一样，小鳏的感觉神经细胞将其长长的电线（即轴突）送入脊髓的上层。在那里，这些电线停留在特定的、有组织的层级中。检测疼痛和触觉的细胞落在最上层，而感知深层压力的细胞则落在稍低的位置。这种对于处理不同类型感觉至关重要的分层组织，似乎是一个被保留了数亿年的古老特征。小鳏的脊髓就像一个稳定的支架，拥有专门用于不同类型输入的特定区域，镜像了陆生动物中的布局。
然而，当科学家观察那些告诉这些神经细胞如何成为其身份的遗传指令时，故事却发生了彻底的变化。在哺乳动物中，特定的基因充当决定神经细胞身份的代码。例如，一个名为 ntrk1 的基因是痛觉细胞的主要标记，而 ntrk2 标记触觉细胞，ntrk3 则标记感知肌肉位置的细胞。研究人员曾预期会在小鳏身上发现类似的编码。相反，他们发现了一个完全不同的系统。小鳏并不使用相同的遗传钥匙来解锁这些身份。
在小鳏中，标记疼痛和触觉的基因以一种在哺乳动物中不可能实现的方式混合在一起。单个小鳏神经细胞可以同时携带疼痛和触觉的遗传标记。研究人员发现，许多小鳏的神经细胞表达一种在哺乳动物中保持严格分离的基因组合。例如，表达肌肉位置感知基因的细胞同时也携带了疼痛的遗传标记。这表明，虽然系统的物理布线保持不变，但运行在细胞内部的分子软件已被重写。小鳏使用一套灵活且重叠的指令来构建其感觉系统，而哺乳动物则使用一套僵化且排他的代码。
为了理解这些细胞是如何发育的，科学家们进行了一项精细的实验。他们在小鳏胚胎生长过程中，移除了其一侧发育中的鳍。在陆生动物中，移除肢体会导致原本应连接到该肢体的神经细胞死亡或无法成熟。研究人员想看看小鳏是否依赖来自鳍部的信号来告知其神经细胞应该变成什么。他们发现，神经细胞并没有立即死亡，但它们未能完善自身的身份。由于失去了鳍，神经细胞无法定位于其最终的、特定的角色。它们处于一种混乱的状态，表达着一种杂乱的基因组合，而不是在正常的小鳏身上看到的清晰模式。
这项实验揭示了即使遗传代码不同，对目标的需求也是相同的。发育中的鳍会向神经细胞发送信号，告诉它们完成身份认定并正确连接。在小鳏中，这种信号对于将混合的遗传指令组织成功能性系统至致关重要。研究人员还发现，一个涉及名为 SMAD 分子的特定化学通路，充当了这些信号的早期传感器。该通路在小鳏和鸡身上都具有活性，这表明倾听身体外周信号的机制是一个古老的、共享的特征。
研究结论指出，脊椎动物神经系统建立在一个悖论之上。电路的物理结构——脊髓的层次以及神经如何连接到这些层次——是一个深层的、保守且不变的基础。然而，构建单个神经细胞的分子程序却是高度灵活的，并且朝着不同的方向进化。小鳏展示了自然界如何在保持稳定、功能性架构的同时，完全重写创造它的遗传规则。这种灵活性可能让脊椎动物能够在不从头重建整个布线图的情况下，使自己的感觉系统适应新的环境，从深海到陆地。小鳏凭借其古老的身体构造和独特的遗传代码，为我们提供了一个清晰的视角，让我们观察进化是如何在保留本质的同时，又重新发明细节的。
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