人脑中数十亿的神经元代表着细胞的集合，这些细胞在我们体内既是高度专业化的又是可变的。神经元将电信号转换为化学信号，在人体中，它们的长度可以小到仅跨越削尖的铅笔尖，或者在某些情况下，甚至可以延伸到门口的宽度。它们对运动和决策的灵活控制解释了为什么它们对动物王国的生存如此关键。
大多数动物依靠其神经元的配额生存。那么，有理由认为，所有这些动物的共同祖先也在数百万年前在地球上移动，这得益于神经元网络传递和接收的电化学信号的引导。神经元是高度复杂的细胞，而且在动物谱系中也非常相似，因此这些关键细胞进化多次的想法似乎难以置信。但是，最近一系列进化生物学研究正在挑战所有动物神经元都具有单一起源的假设。
这些发现是多年来对早期进化动物谱系以及这些物种中存在的细胞和系统进行研究和辩论的成果。第一个这样的发现来自对早期动物之间关系的研究，重点是两种特定类型的生物：海绵（包括海绵和淡水品种）和栉水母，无脊椎动物，通常被称为栉水母，尽管它们与水母无关。大约 15 年来，进化生物学家一直对栉水母或海绵是否是从进化树中所有其他动物分支出来的第一批动物存在分歧。数亿年前，所有活体动物的共同祖先分支成两个物种。一边是除一个以外的所有动物群的共同祖先。另一边是“一个”——“姊妹群”，它是第一个从所有其他动物中分离出来的。一个持久的问题是姊妹群是海绵还是栉水母。
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去年发表的一篇引人注目的论文为栉水母实际上是长期以来人们寻求的姊妹群这一假设提供了强有力的支持。研究人员发现，栉水母比海绵更早分支出来，因此是与所有其他动物关系最远的群体。然而，尽管有新的证据，但在进化史上究竟发生了什么仍然悬而未决，因为它提出了在解释神经元进化方面的一个难题。
海绵中没有神经元，但在栉水母和地球上几乎所有其他动物中都存在神经元。如果栉水母在生命之树中比海绵更早分支出来，那就暗示了神经元进化的两种情景之一。在一种情景中，所有动物的祖先（生活在近十亿年前）都有神经元，并且每个动物物种都继承了它们。这意味着海绵一定在某个时候失去了它们的神经元，因为它们不再拥有其祖先继承的神经元。
另一种观点认为，所有动物的祖先都缺乏神经元，这解释了为什么像海绵这样的早期分化动物没有神经元。那么，大多数动物的神经元一定是在海绵分化后才出现的——栉水母中的神经元除外。如果共同祖先缺乏神经元，并且大多数动物的神经元在栉水母和海绵已经分支后才出现，那么栉水母中的神经元一定是独立进化的。在这种情景中，神经元进化了两次——一次在栉水母中，然后在其他动物中进化，这使神经元的单一起源受到质疑。
“目前，我会说我对这两种情景中哪一种更有可能尚未决定”，德特勒夫·阿伦特说，他是欧洲分子生物学实验室的教授和高级科学家，专门研究神经元和神经系统的进化。
马克斯·特尔福德是伦敦大学学院生命起源与进化中心的动物学教授，他更支持第一种情景。“海绵没有神经系统完全有可能是因为它们已经失去了它，因为它们是久坐的滤食性动物，不需要复杂的神经系统，”他说。“简化和丧失一直都在发生。”
海绵并不是唯一失去神经元的动物。特尔福德指出粘液孢子虫的例子，它们是世界上最小的动物之一，与水母和海葵密切相关。这三种动物的共同祖先几乎肯定有一个神经系统，但粘液孢子虫在遥远的进化史中的某个时候失去了它们。
栉水母神经元非常奇怪这一事实也使情况变得更加复杂——事实上，它可能不会让人感到惊讶，栉水母中的神经元独立于其他动物的神经元出现。另一篇最近的论文发现，栉水母的大部分神经系统由没有突触的神经元组成，这种特征尚未在动物王国的其他任何地方得到证实。“没有其他如此极端的神经系统变体的例子，”阿伦特说。“但是有很多神经系统被简化并变得非常简单的例子，”他补充道。
康奈尔大学生态学和进化生物学助理教授莱斯利·巴博尼斯研究动物新性状的起源，她可以想象这些奇怪的神经元仍然是从其他谱系神经元的相同前体进化而来的情景。“有很多证据表明神经元在所有动物的共同祖先中进化了一次，并且每个谱系……都以非常复杂和不同的方式修改了这些神经元。”与此同时，“这也挑战了我们的世界观，即这些动物会放弃这些重要的东西”，例如神经元，她说。
尚未达成共识。“我认为，我们需要更多地了解神经和神经细胞以及它们的先驱是什么，”特尔福德说。
的确，理清神经元的进化史可能需要解决神经元最初是如何产生的基本问题。生物学家尚未就神经元如何进化一次——更不用说两次——的模型达成一致。一个主要的竞争者是“化学脑假说”，有时被称为“神经分泌网络假说”，它表明神经元的前体是仅依靠化学信息传递信号通过生物体的细胞。化学脑假说在今年 9 月获得了巨大的推动，这要归功于一种名为扁盘动物的默默无闻的动物。扁盘动物在没有显微镜的帮助下是不可见的。它们是像栉水母一样的海洋生物，但它们只有几层细胞厚，并且它们的身体是无定形的。然而，与栉水母不同，扁盘动物没有神经元。相反，它们主要依靠专门的肽能细胞，这些细胞释放或响应短链氨基酸，仅使用化学信号来引导它们微小的身体。
扁盘动物中的肽能细胞不是神经元。它们不使用电脉冲，并且它们与附近细胞的信息传递仅限于向其他细胞发送信号——与神经元不同，神经元既可以发送也可以接收信号。但是一项新的分析发现，肽能细胞具有一些与神经元惊人相似的遗传平行性，并且包含与神经系统中突触周围物理结构相关的蛋白质。这为动物神经元可能如何进化提供了一个蓝图，并巩固了先前在建立化学分泌细胞和神经细胞之间联系方面的工作。
虽然这项研究支持化学脑假说，但它并没有排除神经元进化的其他模型。阿伦特提出的另一个来自 20 世纪中叶的框架“收缩网络假说”认为，神经元曾经是假设的“神经肌肉细胞”的一部分，这些细胞可能整合了肌肉和神经元的功能。重要的是，化学脑假说和收缩网络假说并非相互排斥。
“即使在一个进化谱系内，神经元也可能有两种起源，”阿伦特说。“也许两者都是正确的，但发生在身体的不同位置。” 甚至我们大脑中不同类型的突触也具有不同的起源。事实证明，我们神经系统的许多组成部分可能进化了不止一次——即使动物的神经元可以追溯到单一祖先。