迄今为止，人类高级认知功能的进化主要与新皮质的扩张有关，新皮质是大脑中负责意识思维、运动和感官知觉的区域。然而，海德堡大学分子生物学中心的 Henrik Kaessmann 教授解释说，研究人员越来越多地意识到，“小脑”或小脑在进化过程中也在不断扩大，并且可能有助于赋予人类独特的能力。他的研究团队与海德堡霍普儿童癌症中心的 Stefan Pfister 教授博士一起绘制了人类、小鼠和负鼠小脑细胞发育的全面遗传图谱。这些数据的比较揭示了哺乳动物 1.6 亿年进化过程中小脑发育的祖先和物种特异性细胞和分子特征。
“尽管小脑(位于头骨后部的结构)包含整个人脑中约 80% 的神经元，但长期以来，它被认为是一个具有相当简单细胞结构的大脑区域，”Kaessmann 教授解释道。然而，分子生物学家表示，近年来，越来越多的证据表明这种结构存在明显的异质性。海德堡研究人员现已对人类、小鼠和负鼠正在发育的小脑中的所有细胞类型进行了系统分类。为此，他们首先使用单细胞测序技术从近 400,000 个单个细胞中收集了分子谱。他们还采用了能够对细胞类型进行空间映射的程序。
根据这些数据，科学家们指出，在人类小脑中，浦肯野细胞(小脑中具有关键功能的大型复杂神经元)的比例几乎是胎儿发育早期阶段小鼠和负鼠的两倍。这种增加主要是由浦肯野细胞的特定亚型驱动的，这些亚型首先在发育过程中产生，并可能与成熟大脑中参与认知功能的新皮质区域进行通信。“按理说，这些特定类型的浦肯野细胞在人类进化过程中的扩张支持了人类更高的认知功能，”Kaessmann 教授的“哺乳动物基因组功能进化”研究小组的博士后研究员 Mari Sepp 博士解释道。
研究人员还利用生物信息学方法比较了人类、小鼠和负鼠小脑细胞中的基因表达程序。这些程序是由无数基因的微调活动定义的，这些基因决定细胞在发育过程中分化成的类型。具有细胞类型特异性活性特征的基因已被鉴定出，这些基因在物种间保守了至少约 1.6 亿年的进化。根据 Henrik Kaessmann 的说法，这表明它们对于决定哺乳动物小脑细胞类型身份的基本机制很重要。与此同时，科学家们还发现了 1000 多个基因，其活性特征在人类、小鼠和负鼠之间存在差异。“在细胞类型水平上，基因获得新的活性特征的情况相当频繁。这意味着存在于所有哺乳动物中的祖先基因在进化过程中在新的细胞类型中变得活跃，可能会改变这些细胞的特性。”Kevin Leiss 博士说。凯斯曼的研究小组。
普菲斯特教授解释说，在人类和小鼠(生物医学研究中最常用的模型生物)之间表现出不同活性特征的基因中，有几个与神经发育障碍或儿童脑肿瘤有关。他是海德堡霍普儿童癌症中心的主任，德国癌症研究中心研究部门的负责人，也是海德堡大学医院的儿科肿瘤顾问顾问。正如 Pfister 教授所说，该研究的结果可以为寻找合适的模型系统(超越小鼠模型)提供有价值的指导，以进一步探索此类疾病。
研究成果发表在《自然》杂志上。除了海德堡的科学家之外，参与这项研究的还有来自柏林以及中国、法国、匈牙利和英国的研究人员。欧洲研究委员会资助了这项研究。这些数据可在公共数据库中获取。
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