一个多世纪前从英国的一个煤矿中提取的一条319.<>亿年前的鱼类化石的CT扫描头骨揭示了保存完好的脊椎动物大脑的最古老的例子。

大脑及其颅神经大约一英寸长，属于一种已灭绝的蓝鳃大小的鱼。根据密歇根大学领导的一项研究的作者的说法，这一发现为今天活着的主要鱼类——鳍鱼——的神经解剖学和早期进化打开了一扇窗，该研究计划于1月<>日在《自然》杂志上发表。

偶然的发现也为脊骨动物化石中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Coccocephalus wildi，这是一种早期的鳍鱼，在河口游泳，可能以小型甲壳类动物，水生昆虫和头足类动物为食，今天包括鱿鱼，章鱼和墨鱼。鳍鱼的脊椎和鳍由称为鳐鱼的骨棒支撑。

当鱼死亡时，它的大脑和颅神经的软组织在化石过程中被一种致密的矿物质所取代，这种矿物以精致的细节保留了它们的三维结构。

“一个重要的结论是，这些柔软的部分可以被保存下来，它们可能保存在我们已经拥有了很长时间的化石中 - 这是一种已经知道了100多年的化石，”UM古生物学家Matt Friedman说，他是这项新研究的资深作者，也是古生物学博物馆的馆长。

主要作者是密歇根大学博士生罗德里戈·菲格罗亚(Rodrigo Figueroa)，他在弗里德曼的地球与环境科学系的论文中完成了这项工作。

“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的最古老的例子，而且还表明我们对生物物种大脑进化的大部分想法都需要重新设计，”菲格罗亚说。

“随着现代成像技术的广泛应用，如果我们发现化石大脑和其他软部件比我们以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以新的和不同的视角看待化石鱼头。

来自英格兰的头骨化石是其物种中唯一已知的标本，因此在UM领导的研究中只能使用非破坏性技术。

关于Coccocephalus的工作是Friedman，Figueroa及其同事更广泛努力的一部分，该努力使用计算机断层扫描(CT)扫描来观察早期鳍鱼的头骨内部。更大规模研究的目标是获得内部解剖细节，以提供有关进化关系的见解。

在C. wildi的案例中，弗里德曼在启动微型CT扫描仪并检查头骨化石时并不是在寻找大脑。

“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，并注意到头骨内有一个不寻常的，独特的物体，”他说。

在CT图像上，未识别的斑点比头骨或周围岩石的骨骼更亮，因此可能更密集。

“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的结构，”弗里德曼说。

这个神秘物体显示了在脊椎动物大脑中发现的几个特征：它是双侧对称的，它包含类似于心室外观的空心空间，并且它有多个细丝延伸到脑壳的开口，外观类似于颅神经，在生物物种中通过这种运河。

“它有所有这些特征，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，我们才决定更进一步。

虽然在脊椎动物化石中很少发现保存的脑组织，但科学家们在无脊椎动物方面取得了更好的成功。例如，310 年报道了一只 2021.500 亿年前的鲎的完整大脑，对琥珀包裹的昆虫的扫描揭示了大脑和其他器官。甚至有证据表明，大脑和神经系统的其他部分记录在超过<>亿年前的扁平标本中。

300年报道了2009亿年前鲨鱼亲戚的大脑保存完好。但鲨鱼、鳐鱼和鳐鱼是软骨鱼类，与含有球头鱼的鳍鱼谱系相比，它们今天的物种相对较少。像Coccocephalus这样的早期鳍鱼类可以告诉科学家当今最多样化的鱼类群的初始进化阶段，其中包括从鳟鱼到金枪鱼，从海马到比目鱼的所有鱼类。

大约有30，000种鳍鱼，它们约占所有脊骨动物物种的一半。另一半分为陆地脊椎动物 - 鸟类，哺乳动物，爬行动物和两栖动物 - 以及不太多样化的鱼类群体，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。它是从兰开夏郡山四英尺煤矿的屋顶上回收的，并于1925年首次被科学描述。化石是在矿井煤层附近的一层皂石中发现的。

虽然只发现了它的头骨，但科学家认为C. wildi应该有6到8英寸长。根据菲格罗亚的说法，从它的下颚形状和牙齿来看，它可能是一种食肉动物。

当鱼死亡时，科学家怀疑它很快就被埋在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，头骨脑壳内的化学微环境可能有助于保存脆弱的脑组织，并用致密的矿物质(可能是黄铁矿)代替它们，Figueroa说。

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。在球头孢化石中，颅神经在脑壳内是完整的，但在离开颅骨时消失了。

弗里德曼说：“在头骨中这个紧密封闭的空隙中，似乎有一个小小的微环境，有利于用某种矿物相替换那些柔软的部分，捕捉组织形状，否则这些组织就会腐烂掉。

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的大脑的比较，揭示了球头鱼的大脑有一个葡萄干大小的中央身体，有三个主要区域，大致对应于活鱼的前脑，中脑和后脑。

颅神经从中央身体的两侧突出。作为一个整体，中央身体和颅神经类似于微小的甲壳类动物，如龙虾或螃蟹，有突出的手臂、腿和爪子。

值得注意的是，根据作者的说法，Coccocephalus的大脑结构表明鱼脑进化的模式比仅由生物物种所暗示的更为复杂。

“这些特征使化石在理解大脑进化模式方面具有真正的价值，而不仅仅是对意外保存的好奇心，”菲格罗亚说。

例如，所有活着的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，就像袜子从里到外一样。

所有其他脊椎动物都有阴道的大脑，这意味着发育中的大脑中的神经组织向内折叠。

“与所有现存的鳍鱼不同，球头鱼的大脑向内折叠，”弗里德曼说。“所以，这块化石捕捉到了鳍鱼大脑的标志性特征进化之前的时间。这为我们提供了一些关于这种特征何时进化的限制 - 在Coccocephalus的新数据之前我们没有很好地处理这个问题。

与现存鱼类的比较表明，球头鱼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300亿多年前与所有其他现存的鳍鱼类分道扬镳。

弗里德曼和菲格罗亚正在继续对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给安娜堡的几个标本。菲格罗亚说，他的博士论文因 大流行而推迟，但预计将于 2024 年夏季完成。

自然研究包括在密歇根大学地球与环境科学设施的计算机断层扫描产生的数据，该设施由地球与环境科学系和文学，科学和艺术学院支持。

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Sam Giles;UM古生物学博物馆的Danielle Goodvin和Matthew Kolmann;以及芝加哥大学的迈克尔·科茨和阿比盖尔·卡隆。

弗里德曼和菲格罗亚说，这一发现突出了在古生物学和动物学博物馆保存标本的重要性。

“在这里，我们发现在过去的一个世纪里，多人多次检查过的化石中发现了显着的保存，”弗里德曼说。“但是因为我们有这些新的工具来观察化石的内部，它向我们揭示了另一层信息。

“这就是为什么抓住物理标本如此重要的原因。因为谁知道，100年后，人们现在能用我们收藏的化石做些什么。