艺术家对一条有3.19亿年历史的鱼的解读，这条鱼保存了最早的脊椎动物大脑化石。大脑的CT图像有助于解开当今最多样的脊椎动物谱系之一的神经进化序列。这种鱼，Coccocephalus wildi，长6至8英寸，可能以小型甲壳类和水生昆虫为食。资料来源：Márcio L.Castro。
据美国物理学家组织网（作者：University of Michigan）：一个多世纪前，从英国的一个煤矿中提取的一条3.19亿年前的鱼化石的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有一英寸长，属于已灭绝的蓝鳃鱼。密歇根大学领导的一项研究计划于2月1日在《自然》杂志上发表，该研究的作者表示，这一发现为当今主要的鱼类群体——鳍鳍鱼——的神经解剖和早期进化打开了一扇窗户。
这一偶然发现也为脊背动物化石中软组织的保存提供了见解。博物馆收藏的大多数动物化石都是由坚硬的身体部位形成的，如骨骼、牙齿和贝壳。
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纲鱼类，在河口游泳，可能以小型甲壳类动物、水生昆虫和头足类为食，目前包括鱿鱼、章鱼和乌贼。射线鳍鱼类的脊骨和鳍由称为射线的骨杆支撑。
当鱼死亡时，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所取代，这种矿物以精致的细节保存了它们的三维结构。
U-M古生物学家马特·弗里德曼（Matt Friedman）表示：“一个重要的结论是，这些软组织可以保存下来，而且它们可能保存在我们已经拥有了很长一段时间的化石中。这是一个已经有100多年历史的化石。”。
主要作者是U-M的博士生罗德里戈·菲格罗亚，他在弗里德曼的指导下，在地球与环境科学系完成了这项工作。
菲格罗亚说：“这一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，我们对人类大脑进化的许多想法都需要修改。”。
“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组织比我们以前想象的要常见得多，我不会感到惊讶。从现在起，我们的研究小组和其他人将以一种新的、不同的视角来看待化石鱼头。”
来自英国的头骨化石是该物种唯一已知的标本，因此在U-M-led研究中只能使用无损技术。
Friedman、Figueroa及其同事利用计算机断层扫描（CT）技术观察早期鳍鱼头颅骨内部，这项研究是他们更广泛努力的一部分。这项更大的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，弗里德曼启动微型CT扫描仪检查头骨化石时，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，并注意到头骨内部有一个不寻常的、明显的物体，”他说。
在CT图像上，未识别的斑点更亮，因此可能比头骨或周围岩石的骨骼密度更大。
弗里德曼说：“在化石中看到无定形矿物生长是很常见的，但这个物体有明确的结构。”。
这个神秘的物体显示了脊椎动物大脑中发现的几个特征：它是双侧对称的，它包含类似于心室的中空空间，它有多个丝状体延伸到大脑外壳的开口处，外观类似于颅神经，这些神经在活的物种中穿过这样的通道。
Coccocephalus wildi的头骨化石，一种早期的鳍鳍鱼，3.19亿年前曾在河口游泳。这条鱼面朝右侧，在化石的右下部分可以看到下颚。眼窝是下颚上方的圆形、凹凸不平的特征。这条鱼可能有6到8英寸长，大约有蓝鳃那么大。资料来源：杰里米·马布尔，密歇根大学新闻。
弗里德曼说：“它有所有这些特征，我对自己说，‘这真的是我正在研究的大脑吗？’”。“所以我放大了头骨的这个区域，进行了第二次更高分辨率的扫描，非常清楚，这正是它必须要做的。正是因为这是一个如此明确的例子，我们才决定进一步研究。”
虽然在脊椎动物化石中很少发现保存下来的脑组织，但科学家在无脊椎动物方面取得了更好的成功。例如，据报道，2021，一只3.1亿年前的马蹄蟹的大脑完好无损，对琥珀包裹昆虫的扫描显示出了大脑和其他器官。甚至有证据表明，在5亿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，一名3亿年前的鲨鱼亲属的大脑被保存下来。但鲨鱼、鳐鱼和冰鞋是软骨鱼类，与含有Coccocephalus的鳐鳍鱼类谱系相比，它们的种类相对较少。像Coccocephalus这样的早期射线鳍鱼类可以告诉科学家今天最多样化的鱼类群的最初进化阶段，包括从鳟鱼到金枪鱼、海马到比目鱼的所有鱼类。
大约有30000种带鳍鱼类，它们约占所有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，以及种类较少的鱼类，如无颌鱼类和软骨鱼类。
Coccocephalus头骨化石是从英国曼彻斯特博物馆借给弗里德曼的。它是从兰开夏郡四英尺山煤矿的屋顶上发现的，1925年首次被科学描述。化石是在煤矿煤层附近的一层皂石中发现的。
虽然只找到了它的头骨，但科学家们相信，野生C.wildi的身长应该在6到8英寸之间。根据菲格罗亚的说法，从它的下颚形状和牙齿来看，它很可能是食肉动物。
当这条鱼死亡时，科学家们怀疑它很快就埋在了几乎没有氧气的沉积物中。这样的环境会减缓软身体部位的分解。
菲格罗亚说，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，并用致密矿物（可能是黄铁矿）替代它们。
Coccocephalus头骨的CT扫描，显示了大脑化石和相关结构。大脑和颅神经在图像中心呈现明亮的白色。鱼朝着左边。眼窝是由骨头包围的大的黑色椭圆形区域，下颚在眼窝下面。资料来源：Figueroa等人，《自然》杂志，2023年2月。
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，脑内的颅神经是完整的，但当它们离开头骨时就会消失。
弗里德曼说：“在头骨的这个紧密封闭的空隙里，似乎有一个小的微环境，有助于用某种矿物相替换那些软组织，捕捉组织的形状，否则这些组织就会腐烂。”。
对化石的详细分析，以及与U-M动物博物馆收藏的现代鱼类标本的大脑的比较，揭示出，Coccocephalus的大脑有一个葡萄干大小的中央体，有三个主要区域，大致对应于活鱼的前脑、中脑和后脑。
颅神经从中体两侧突出。作为一个单独的单元，中央身体和颅神经类似于一种小型甲壳动物，如龙虾或螃蟹，具有突出的手臂、腿和爪。
值得注意的是，根据作者的说法，Coccocephalus的大脑结构表明，鱼类大脑进化的模式比单独存在的物种更为复杂。
菲格罗亚说：“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。”。
例如，所有活的鳍鳍鱼都有外翻的大脑，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，就像一只袜子从内向外翻转一样。
所有其他脊椎动物都有外翻的大脑，这意味着发育中的大脑神经组织向内折叠。
弗里德曼说：“与所有活的鳍鳍鱼类不同，Coccocephalus的大脑向内折叠。”。“因此，这一化石捕捉到了鳍鱼脑的标志性特征进化之前的一段时间。这为我们提供了一些限制条件，以确定这种特征何时进化，而在出现新的Coccocephalus数据之前，我们对此没有很好的把握。”
与活鱼的比较表明，Coccocephalus的大脑与鲟鱼和白鲟的大脑最为相似，因为它们在3亿多年前就与所有其他活的有鳍鱼类不同，所以常被称为“原始”鱼类。
弗里德曼和菲格罗亚正在继续对鱼鳍鱼化石的头骨进行CT扫描，其中包括菲格罗亚从其祖国巴西的机构租借到安娜堡的几个标本。菲格罗亚说，他的博士论文因新冠肺炎疫情而推迟，但预计将于2024年夏天完成。
《自然》杂志的这项研究包括了U-M的地球与环境科学计算机断层摄影设施所产生的数据，该设施得到了地球与环境学系以及文学、科学和艺术学院的支持。
论文的其他作者是伦敦自然历史博物馆和伯明翰大学的萨姆·吉尔斯；U-M古生物学博物馆的Danielle Goodvin和Matthew Kolmann；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表示，这一发现凸显了在古生物学和动物学博物馆保存标本的重要性。
弗里德曼说：“在过去的一个世纪里，我们发现一个化石保存得很好，之前曾多次被多人检查过。”。“但因为我们有了这些新的工具来观察化石内部，它向我们揭示了另一层信息。
“这就是为什么保存实物标本如此重要的原因。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。”
