人腦中數十億的神經元代表著細胞的集合，這些細胞在我們體內既是高度專業化的又是可變的。神經元將電訊號轉換為化學訊號，在人體中，它們的長度可以小到僅跨越削尖的鉛筆尖，或者在某些情況下，甚至可以延伸到門口的寬度。它們對運動和決策的靈活控制解釋了為什麼它們對動物王國的生存如此關鍵。
大多數動物依靠其神經元的配額生存。那麼，有理由認為，所有這些動物的共同祖先也在數百萬年前在地球上移動，這得益於神經元網路傳遞和接收的電化學訊號的引導。神經元是高度複雜的細胞，而且在動物譜系中也非常相似，因此這些關鍵細胞進化多次的想法似乎難以置信。但是，最近一系列進化生物學研究正在挑戰所有動物神經元都具有單一起源的假設。
這些發現是多年來對早期進化動物譜系以及這些物種中存在的細胞和系統進行研究和辯論的成果。第一個這樣的發現來自對早期動物之間關係的研究，重點是兩種特定型別的生物：海綿（包括海綿和淡水品種）和櫛水母，無脊椎動物，通常被稱為櫛水母，儘管它們與水母無關。大約 15 年來，進化生物學家一直對櫛水母或海綿是否是從進化樹中所有其他動物分支出來的第一批動物存在分歧。數億年前，所有活體動物的共同祖先分支成兩個物種。一邊是除一個以外的所有動物群的共同祖先。另一邊是“一個”——“姊妹群”，它是第一個從所有其他動物中分離出來的。一個持久的問題是姊妹群是海綿還是櫛水母。
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去年發表的一篇引人注目的論文為櫛水母實際上是長期以來人們尋求的姊妹群這一假設提供了強有力的支援。研究人員發現，櫛水母比海綿更早分支出來，因此是與所有其他動物關係最遠的群體。然而，儘管有新的證據，但在進化史上究竟發生了什麼仍然懸而未決，因為它提出了在解釋神經元進化方面的一個難題。
海綿中沒有神經元，但在櫛水母和地球上幾乎所有其他動物中都存在神經元。如果櫛水母在生命之樹中比海綿更早分支出來，那就暗示了神經元進化的兩種情景之一。在一種情景中，所有動物的祖先（生活在近十億年前）都有神經元，並且每個動物物種都繼承了它們。這意味著海綿一定在某個時候失去了它們的神經元，因為它們不再擁有其祖先繼承的神經元。
另一種觀點認為，所有動物的祖先都缺乏神經元，這解釋了為什麼像海綿這樣的早期分化動物沒有神經元。那麼，大多數動物的神經元一定是在海綿分化後才出現的——櫛水母中的神經元除外。如果共同祖先缺乏神經元，並且大多數動物的神經元在櫛水母和海綿已經分支後才出現，那麼櫛水母中的神經元一定是獨立進化的。在這種情景中，神經元進化了兩次——一次在櫛水母中，然後在其他動物中進化，這使神經元的單一起源受到質疑。
“目前，我會說我對這兩種情景中哪一種更有可能尚未決定”，德特勒夫·阿倫特說，他是歐洲分子生物學實驗室的教授和高階科學家，專門研究神經元和神經系統的進化。
馬克斯·特爾福德是倫敦大學學院生命起源與進化中心的動物學教授，他更支援第一種情景。“海綿沒有神經系統完全有可能是因為它們已經失去了它，因為它們是久坐的濾食性動物，不需要複雜的神經系統，”他說。“簡化和喪失一直都在發生。”
海綿並不是唯一失去神經元的動物。特爾福德指出粘液孢子蟲的例子，它們是世界上最小的動物之一，與水母和海葵密切相關。這三種動物的共同祖先幾乎肯定有一個神經系統，但粘液孢子蟲在遙遠的進化史中的某個時候失去了它們。
櫛水母神經元非常奇怪這一事實也使情況變得更加複雜——事實上，它可能不會讓人感到驚訝，櫛水母中的神經元獨立於其他動物的神經元出現。另一篇最近的論文發現，櫛水母的大部分神經系統由沒有突觸的神經元組成，這種特徵尚未在動物王國的其他任何地方得到證實。“沒有其他如此極端的神經系統變體的例子，”阿倫特說。“但是有很多神經系統被簡化並變得非常簡單的例子，”他補充道。
康奈爾大學生態學和進化生物學助理教授萊斯利·巴博尼斯研究動物新性狀的起源，她可以想象這些奇怪的神經元仍然是從其他譜系神經元的相同前體進化而來的情景。“有很多證據表明神經元在所有動物的共同祖先中進化了一次，並且每個譜系……都以非常複雜和不同的方式修改了這些神經元。”與此同時，“這也挑戰了我們的世界觀，即這些動物會放棄這些重要的東西”，例如神經元，她說。
尚未達成共識。“我認為，我們需要更多地瞭解神經和神經細胞以及它們的先驅是什麼，”特爾福德說。
的確，理清神經元的進化史可能需要解決神經元最初是如何產生的基本問題。生物學家尚未就神經元如何進化一次——更不用說兩次——的模型達成一致。一個主要的競爭者是“化學腦假說”，有時被稱為“神經分泌網路假說”，它表明神經元的前體是僅依靠化學資訊傳遞訊號透過生物體的細胞。化學腦假說在今年 9 月獲得了巨大的推動，這要歸功於一種名為扁盤動物的默默無聞的動物。扁盤動物在沒有顯微鏡的幫助下是不可見的。它們是像櫛水母一樣的海洋生物，但它們只有幾層細胞厚，並且它們的身體是無定形的。然而，與櫛水母不同，扁盤動物沒有神經元。相反，它們主要依靠專門的肽能細胞，這些細胞釋放或響應短鏈氨基酸，僅使用化學訊號來引導它們微小的身體。
扁盤動物中的肽能細胞不是神經元。它們不使用電脈衝，並且它們與附近細胞的資訊傳遞僅限於向其他細胞傳送訊號——與神經元不同，神經元既可以傳送也可以接收訊號。但是一項新的分析發現，肽能細胞具有一些與神經元驚人相似的遺傳平行性，並且包含與神經系統中突觸周圍物理結構相關的蛋白質。這為動物神經元可能如何進化提供了一個藍圖，並鞏固了先前在建立化學分泌細胞和神經細胞之間聯絡方面的工作。
雖然這項研究支援化學腦假說，但它並沒有排除神經元進化的其他模型。阿倫特提出的另一個來自 20 世紀中葉的框架“收縮網路假說”認為，神經元曾經是假設的“神經肌肉細胞”的一部分，這些細胞可能整合了肌肉和神經元的功能。重要的是，化學腦假說和收縮網路假說並非相互排斥。
“即使在一個進化譜系內，神經元也可能有兩種起源，”阿倫特說。“也許兩者都是正確的，但發生在身體的不同位置。” 甚至我們大腦中不同型別的突觸也具有不同的起源。事實證明，我們神經系統的許多組成部分可能進化了不止一次——即使動物的神經元可以追溯到單一祖先。