3.19亿年前的鱼类保存着最早的脊椎动物大脑化石

一条3.19亿年前的化石鱼的CT扫描头骨是一个多世纪前从英格兰的一个煤矿中取出的，它揭示了保存完好的脊椎动物大脑的最古老例子。

大脑及其脑神经长约一英寸，属于已灭绝的蓝鳃鱼。密歇根大学牵头的一项研究定于2月1日在《自然》杂志上发表，该研究的作者称，这一发现为了解当今活着的主要鱼类射线鳍鱼的神经解剖学和早期进化打开了一扇窗。

这一偶然发现还为了解脊椎动物化石中柔软部分的保存提供了见解。博物馆藏品中的大多数动物化石都是由骨骼、牙齿和贝壳等坚硬的身体部位形成的。

为这项新研究分析的CT扫描大脑属于Coccocephaluswildi，这是一种早期的鳍鳍鱼，在河口游动，可能以小型甲壳类动物、水生昆虫和头足类动物为食，而头足类动物如今包括鱿鱼、章鱼和墨鱼。射线鳍鱼的脊骨和鳍由称为射线的骨杆支撑。

当这条鱼死去时，它的大脑和颅神经的软组织在化石化过程中被一种致密的矿物质所取代，这种矿物质保留了其三维结构的精致细节。

密歇根大学古生物学家马特弗里德曼说：“一个重要的结论是，这些柔软的部分是可以保存下来的，它们可能保存在我们拥有很长时间的化石中——这是一种已知100多年的化石。”，新研究的资深作者和古生物博物馆馆长。

主要作者是密歇根大学博士生RodrigoFigueroa，他在弗里德曼的指导下在地球与环境科学系完成了论文的一部分。

“这个表面上不起眼的小化石不仅向我们展示了脊椎动物大脑化石最古老的例子，而且它还表明我们对仅从活物种进化而来的大脑进化的想法中的大部分都需要重新研究，”菲格罗亚说。

“随着现代成像技术的广泛应用，如果我们发现大脑化石和其他软组织比我们之前想象的要普遍得多，我不会感到惊讶。从现在开始，我们的研究小组和其他人将研究鱼头化石一个新的和不同的观点。”

来自英格兰的头骨化石是该物种中唯一已知的标本，因此在马大主导的研究中只能使用非破坏性技术。

对Coccocephalus的研究是Friedman、Figueroa及其同事更广泛努力的一部分，他们使用计算机断层扫描(CT)扫描观察早期鳍鳍鱼的头骨内部。更大规模研究的目标是获得内部解剖学细节，以提供有关进化关系的见解。

在C.wildi的案例中，当弗里德曼启动他的微型CT扫描仪并检查头骨化石时，他并没有在寻找大脑。

“我扫描了它，然后将数据加载到我们用来可视化这些扫描的软件中，并注意到头骨内部有一个不寻常的、明显的物体，”他说。

不明斑点在CT图像上比头骨或周围的岩石更亮，因此可能更致密。

“在化石中看到无定形矿物生长是很常见的，但这个物体有一个明确定义的结构，”弗里德曼说。

这个神秘物体展示了在脊椎动物大脑中发现的几个特征：它是双侧对称的，它包含外观类似于脑室的中空空间，并且它有多个细丝延伸到脑壳的开口，外观类似于颅神经，它们穿过这样的管道在生物物种中。

“它具有所有这些特征，我对自己说，‘这真的是我正在看的大脑吗?’”弗里德曼说。“所以我放大了头骨的那个区域，进行了第二次、更高分辨率的扫描，很明显，这正是它必须的样子。只是因为这是一个如此明确的例子，我们决定更进一步。”

尽管在脊椎动物化石中很少发现保存完好的脑组织，但科学家们在无脊椎动物身上取得了更大的成功。例如，2021年报道了一只3.1亿年前的鲎的完整大脑，对包裹着琥珀的昆虫的扫描显示了大脑和其他器官。甚至有证据表明，在5亿多年前的扁平标本中记录了大脑和神经系统的其他部分。

2009年报道了一个3亿年前鲨鱼近亲的保存完好的大脑。但是鲨鱼、鳐鱼和鳐鱼是软骨鱼类，与包含尾鳍鱼的鳍鳍鱼谱系相比，如今它们的物种相对较少。像Coccocephalus这样的早期鳍鳍鱼可以告诉科学家当今最多样化的鱼群的初始进化阶段，其中包括从鳟鱼到金枪鱼、海马到比目鱼的所有鱼类。

大约有30,000种辐鳍鱼，约占所有有脊椎动物的一半。另一半分布在陆地脊椎动物——鸟类、哺乳动物、爬行动物和两栖动物——以及种类较少的鱼类群体中，如无颌鱼和软骨鱼。

Coccocephalus头骨化石是从英国曼彻斯特博物馆借给弗里德曼的。它是从兰开夏郡MountainFourfoot煤矿的屋顶回收的，并于1925年首次得到科学描述。该化石是在矿井煤层附近的一层皂石中发现的。

虽然只找到了它的头骨，但科学家们认为C.wildi应该有6到8英寸长。根据菲格罗亚的说法，从它的下巴形状和牙齿来看，它很可能是食肉动物。

这条鱼死后，科学家们怀疑它很快就被埋在了几乎没有氧气的沉积物中。这样的环境可以减缓柔软身体部位的分解。

此外，菲格罗亚说，头骨脑壳内的化学微环境可能有助于保护脆弱的脑组织并用致密的矿物质(可能是黄铁矿)代替它们。

支持这一观点的证据来自颅神经，它在大脑和感觉器官之间发送电信号。在Coccocephalus化石中，颅神经在脑壳内完好无损，但在离开颅骨时消失了。

“在头骨这个紧密封闭的空隙中，似乎有一个小的微环境，有利于用某种矿物相替换那些柔软的部分，捕捉组织的形状，否则这些组织会简单地腐烂掉，”弗里德曼说。

对化石的详细分析，以及与UM动物学博物馆收藏的现代鱼类标本大脑的比较，揭示了球头鱼的大脑有一个葡萄干大小的中央体，其三个主要区域大致对应于前脑、中脑和活鱼的后脑。

脑神经从身体中央的两侧伸出。作为一个整体来看，中央身体和颅神经就像一个微小的甲壳类动物，如龙虾或螃蟹，有突出的手臂、腿和爪子。

这组作者说，值得注意的是，Coccocephalus的大脑结构表明鱼脑进化模式比仅由现存物种所暗示的更为复杂。

Figueroa说：“这些特征赋予了化石在理解大脑进化模式方面的真正价值，而不仅仅是意外保存的好奇心。”

例如，所有活着的辐鳍鱼都有一个外翻的大脑，这意味着胚胎鱼的大脑是通过从胚胎内部向外折叠组织来发育的，就像一只袜子从里面翻出来一样。

所有其他脊椎动物的大脑都是外翻的，这意味着发育中的大脑中的神经组织向内折叠。

“与所有活着的鳍鳍鱼不同，Coccocephalus的大脑向内折叠，”弗里德曼说。“所以，这块化石捕捉到了射线鳍鱼大脑进化之前的那个标志性特征。这为我们提供了一些关于这种特征进化时间的限制——在获得关于球头鱼的新数据之前，我们没有很好地处理这一点。“

与现存鱼类的比较表明，Coccocephalus的大脑与鲟鱼和白鲟的大脑最相似，它们通常被称为“原始”鱼类，因为它们在3亿多年前从所有其他现存射线鳍鱼中分化出来。

弗里德曼和菲格罗亚正在继续对射线鳍鱼化石的头骨进行CT扫描，其中包括菲格罗亚从他的祖国巴西的机构借来的几个标本。菲格罗亚说，他的博士论文因COVID-19大流行而推迟，但预计将于2024年夏季完成。

自然研究包括密歇根大学地球与环境科学计算机断层扫描设施产生的数据，该设施得到地球与环境科学系和文学、科学与艺术学院的支持。

该论文的其他作者是伦敦自然历史博物馆和伯明翰大学的SamGiles;UM古生物博物馆的DanielleGoodvin和MatthewKolmann;以及芝加哥大学的MichaelCoates和AbigailCaron。

弗里德曼和菲格罗亚说，这一发现凸显了在古生物学和动物学博物馆中保存标本的重要性。

弗里德曼说：“我们在这里发现了一块化石，在过去的一个世纪里被多人多次检查过，保存完好。”“但是因为我们有这些新工具来查看化石内部，它向我们揭示了另一层信息。

“这就是为什么保留物理标本如此重要。因为谁知道，在100年后，人们现在可以用我们收藏的化石做什么。”