生活在 50 亿多年前的生物留下的保存完好的化石详细揭示了研究人员长期以来一直假设的相同结构，这些结构一定对所有节肢动物都继承的原型大脑做出了贡献。节肢动物是最多样化和物种最丰富的动物分类群，包括昆虫、甲壳类动物、蜘蛛和蝎子，以及其他不太熟悉的谱系，如千足虫和蜈蚣。
这些化石属于一种被称为Leanchoilia的节肢动物，证实了早期对昆虫和蜘蛛胚胎的遗传学和发育生物学的研究所预测的——大脑的一个极端额叶区域的存在，它没有被分割并且在现代成年人中是不可见的。节肢动物。尽管是不可见的，但这个额叶区域在成年节肢动物的大脑中产生了几个关键的神经中枢，包括最终提供参与决策和记忆的中枢的干细胞。这个额叶区域被假设与活体节肢动物的前脑、中脑和后脑不同，它被命名为 prosocerebrum，“proso”的意思是“前部”。
论文第一作者尼古拉斯·斯特劳斯菲尔德 (Nicholas Strausfeld) 表示，今天发表在《当代生物学》(Current Biology)杂志上的一篇论文中描述了这些化石提供了这种离散前脑大脑区域存在的第一个证据，该区域在现代节肢动物的胚胎发育过程中留下了遗产。 ，亚利桑那大学神经科学教授。
“我们描述的非凡化石与以前见过的任何化石都不一样，”斯特劳斯菲尔德说。“两个神经系统已经是独一无二的，因为它们完全相同，这表明在 50 亿年前，这个最前部的大脑区域在代表前脑、中脑和后脑的三个节段性神经节的进化出现之前就已经存在并且在结构上是不同的。 ”
术语神经节是指形成神经中枢的网络系统，该神经中枢出现在节肢动物神经系统的每个节段中。在活的节肢动物中，标记大脑三部分的三个神经节凝聚在一起形成一个固体块，模糊了它们作为分段结构的进化起源。
脑组织化石极为罕见
在中国西南部贵州省的一个地质构造凯里组的沉积物中发现的Leanchoilia的化石遗迹可以追溯到大约 5.08 亿年前的寒武纪时期。凯里化石出现在含有高浓度铁的沉积岩中，铁的存在可能有助于保护软组织，随后被碳沉积物取代。
该论文的第一作者、中国贵州大学贵州古生物学研究中心的田兰说：“凯里化石为我们打开了一扇窗户，让我们一窥生活在 50 亿多年前的动物的体型进化。”“我们现在第一次知道，凯里地层的节肢动物化石具有保存神经组织的潜力，这些神经组织向我们展示了动物世界诞生之初存在的早期茎节肢动物的原始大脑。”
“神经系统与其他软组织一样，难以形成化石，”西班牙巴塞罗那大学和加泰罗尼亚研究所的合著者佩德罗·马丁内斯补充道。“这使得对神经系统早期进化的研究成为一项具有挑战性的任务。”
这些化石还为节肢动物进化中两个独立视觉系统的进化起源提供了新的线索：成对的前眼或侧眼，它们的后代仍然存在于今天生活的物种中。
许多节肢动物，包括昆虫和甲壳类动物，都有一对明显的双侧多面复眼和另一组不太明显的眼睛——具有更原始的结构——被称为无节幼体眼或单眼。它们在结构上类似于蜘蛛和蝎子的主要眼睛。这些简单的眼睛对应于 Leanchoilia 中前脑的前眼，这与先前分析活节肢动物胚胎发育过程中基因表达模式的研究获得的证据一致。
另一方面，Leanchoilia的侧眼与原大脑有关，原大脑是定义节肢动物前脑的节段性神经节，位于原大脑的后面。在活的节肢动物中，原大脑提供昆虫和甲壳类动物的复眼，或蛛形纲动物、蜈蚣和千足虫的侧单眼。为这些眼睛服务的视觉中心也属于大脑的原大脑区域。
斯特劳斯菲尔德解释说，在活的节肢动物中，原大脑或前脑已经合并了——在某种程度上，吞噬了前脑提供的古老中心，因此它不再是一个独特的解剖实体。
化石保存得如此完好，以至于它们表明，除了前眼外，前脑还产生了与现代节肢动物的盂唇或“上唇”相关的神经节。这些化石还证实了一个较早的假设，即盂唇最初一定是从放射齿龙属(Radiodonta)的抓握附属物进化而来的，这是一种在寒武纪时期是顶级捕食者的茎节肢动物。
“与属于更高级谱系的其他类似化石材料相比，Leanchoilia大脑的组织表明早期大脑的神经节排列经历了其成分的浓缩和融合，这解释了为什么在现存物种中无法单独区分前脑，”施特劳斯菲尔德说。
对脊椎动物大脑进化的影响
Strausfeld 说，除了缩小对节肢动物大脑进化的理解上一个世纪以来的差距之外，这些发现还对脊椎动物大脑的早期进化具有重要意义。
虽然简单的鱼状动物与这些现已化石化的节肢动物同时存在，但没有令人信服的大脑化石，因此，既没有化石证据也没有解剖学证据证明脊椎动物的前脑。然而，现代研究表明，例如，定义小鼠前中脑和后脑的基因对应于定义节肢动物大脑三个神经节分裂的基因。在脊椎动物中，某些参与决策、学习和记忆的关键中枢与起源于古代节肢动物前脑的节肢动物大脑中的高级中枢有一些遗传对应。
因此，有可能甚至早于寒武纪，甚至可能在有节段组织的身体计划进化之前，脊椎动物和无脊椎动物的共同祖先就拥有用于简单认知和决策的基本回路。虽然在脊椎动物的非常早期的祖先中可能已经存在一个古老的类似前脑的大脑，但没有这样的化石甚至表明存在离散、非节段域的证据。
“尽管如此，人们还是可以合理地推测，脊椎动物的‘现代’大脑部分嵌入了一个古老的、不分节的大脑，迄今为止，这种大脑只能在早期节肢动物(如Leanchoilia)中得到证实，”斯特劳斯菲尔德说。
该研究的其他合著者是中国贵阳贵州大学贵州古生物学研究中心的赵元龙;中国科学院古生物学与地层学国家重点实验室赵方晨，中国南京;和上海同步辐射装置的尤赫。
