迄今為止，人類高級認知功能的進化主要與新皮質的擴張有關，新皮質是大腦中負責意識思維、運動和感官知覺的區域。然而，海德堡大學分子生物學中心的 Henrik Kaessmann 教授解釋說，研究人員越來越多地意識到，“小腦”或小腦在進化過程中也在不斷擴大，并且可能有助于賦予人類獨特的能力。他的研究團隊與海德堡霍普兒童癌癥中心的 Stefan Pfister 教授博士一起繪制了人類、小鼠和負鼠小腦細胞發育的全面遺傳圖譜。這些數據的比較揭示了哺乳動物 1.6 億年進化過程中小腦發育的祖先和物種特異性細胞和分子特征。

“盡管小腦(位于頭骨后部的結構)包含整個人腦中約 80% 的神經元，但長期以來，它被認為是一個具有相當簡單細胞結構的大腦區域，”Kaessmann 教授解釋道。然而，分子生物學家表示，近年來，越來越多的證據表明這種結構存在明顯的異質性。海德堡研究人員現已對人類、小鼠和負鼠正在發育的小腦中的所有細胞類型進行了系統分類。為此，他們首先使用單細胞測序技術從近 400,000 個單個細胞中收集了分子譜。他們還采用了能夠對細胞類型進行空間映射的程序。

根據這些數據，科學家們指出，在人類小腦中，浦肯野細胞(小腦中具有關鍵功能的大型復雜神經元)的比例幾乎是胎兒發育早期階段小鼠和負鼠的兩倍。這種增加主要是由浦肯野細胞的特定亞型驅動的，這些亞型首先在發育過程中產生，并可能與成熟大腦中參與認知功能的新皮質區域進行通信。“按理說，這些特定類型的浦肯野細胞在人類進化過程中的擴張支持了人類更高的認知功能，”Kaessmann 教授的“哺乳動物基因組功能進化”研究小組的博士后研究員 Mari Sepp 博士解釋道。

研究人員還利用生物信息學方法比較了人類、小鼠和負鼠小腦細胞中的基因表達程序。這些程序是由無數基因的微調活動定義的，這些基因決定細胞在發育過程中分化成的類型。具有細胞類型特異性活性特征的基因已被鑒定出，這些基因在物種間保守了至少約 1.6 億年的進化。根據 Henrik Kaessmann 的說法，這表明它們對于決定哺乳動物小腦細胞類型身份的基本機制很重要。與此同時，科學家們還發現了 1000 多個基因，其活性特征在人類、小鼠和負鼠之間存在差異。“在細胞類型水平上，基因獲得新的活性特征的情況相當頻繁。這意味著存在于所有哺乳動物中的祖先基因在進化過程中在新的細胞類型中變得活躍，可能會改變這些細胞的特性。”Kevin Leiss 博士說。凱斯曼的研究小組。

普菲斯特教授解釋說，在人類和小鼠(生物醫學研究中最常用的模型生物)之間表現出不同活性特征的基因中，有幾個與神經發育障礙或兒童腦腫瘤有關。他是海德堡霍普兒童癌癥中心的主任，德國癌癥研究中心研究部門的負責人，也是海德堡大學醫院的兒科腫瘤顧問顧問。正如 Pfister 教授所說，該研究的結果可以為尋找合適的模型系統(超越小鼠模型)提供有價值的指導，以進一步探索此類疾病。

研究成果發表在《自然》雜志上。除了海德堡的科學家之外，參與這項研究的還有來自柏林以及中國、法國、匈牙利和英國的研究人員。歐洲研究委員會資助了這項研究。這些數據可在公共數據庫中獲取。