3.19億年化石保存最古老脊椎動物大腦

近日，科學家通過掃描3.19億年前的魚化石，發現了最古老的脊椎動物完整大腦。該大腦及其腦神經約1英寸長，屬于一種已經滅絕的藍鰓魚。美國密歇根大學的這項最新發現，為摸清當今主要魚類“鰭魚”的神經解剖和早期進化打開了一扇窗。相關研究2月1日發表于《自然》。這一意外發現也為脊椎動物化石中軟組織的保存提供了新見解。

博物館收藏的大多數動物化石都由骨骼、牙齒和貝殼等堅硬的身體部位形成。而通過計算機斷層掃描（CT）技術發現的大腦，屬于一種名為Coccocephalus wildi的物種，這是一種早期的鰭魚綱魚類，多以小型甲殼類動物、水生昆蟲和頭足類動物為食。

當魚死后，其大腦和腦神經的軟組織在石化過程中被一種致密的礦物質取代，這種礦物質以精致的細節保存了它們的三維結構。

這項新研究的資深作者、古生物博物館館長、密歇根大學古生物學家Matt Friedman說：“一個重要的結論是，這些柔軟的部分可以保存下來，而且是保存在一塊化石中。”

“這一不起眼兒的小化石，不僅向我們展示了最古老的脊椎動物大腦化石，而且還表明，我們對人類大腦進化的許多想法都需要修改。”該論文第一作者、密歇根大學博士生Rodrigo Figueroa說。

這塊頭骨化石是該物種唯一已知的標本，所以在這項研究中只能使用非破壞性技術。

研究人員使用CT觀察了早期鰩鰭魚的頭骨內部。更大規模研究的目標是獲得內部解剖細節，為進化關系提供證據。在CT圖像上，一個不明斑點比頭骨或周圍巖石更亮，因其密度可能更大。

“在化石中看到無定形礦物生長是很常見的，但它具有明確的結構。”Friedman說。這個神秘物體顯示出脊椎動物大腦的幾個特征：它是雙側對稱的，包含與腦室外觀相似的中空空間，有多個絲狀體伸向腦殼的開口處，在外觀上類似于腦神經。

當這條魚死亡時，科學家懷疑它很快就被埋在了缺氧的沉積物中。這樣的環境可以減緩身體柔軟部位的分解。Figueroa說，此外，頭骨內的化學微環境可能有助于保存脆弱的腦組織，并將其替換為致密的礦物質，可能是黃鐵礦。

對化石的詳細分析以及與該校動物博物館收藏的現代魚類標本進行的大腦比較顯示，Coccocephalus的大腦有一個葡萄干大小的中央體，有3個主要區域，大致對應于現存魚類的前腦、中腦和后腦。根據作者的說法，該大腦結構表明了一種比現有物種更復雜的魚腦進化模式。

例如，所有活的鰭魚都有外翻的大腦，這意味著胚胎魚的大腦是通過從胚胎內部向外折疊組織發育的，就像一只襪子從內向外翻轉一樣。所有其他脊椎動物都有外翻的大腦，這意味著發育中的大腦神經組織向內折疊。

“與所有活的鰭魚不同，Coccocephalus的大腦向內折疊。”Friedman說，“因此，這一化石反映了鰭魚腦特征進化前的情況。這給我們提供了一些關于這種特征何時進化的限制條件。”

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05666-1