The vertebrate brain emerged more than ∼500 million years ago in common evolutionary ancestors. To systematically trace its cellular and molecular origins, we established a spatially resolved cell type atlas of the entire brain of the sea lamprey – a jawless species whose phylogenetic position affords the reconstruction of ancestral vertebrate traits – based on extensive single-cell RNA-seq and in situ sequencing data. Comparisons of this atlas to neural data from the mouse and other jawed vertebrates unveiled various shared features that enabled the reconstruction of the core cell type composition, tissue structures, and gene expression programs of the ancestral brain. However, our analyses also revealed key tissues and cell types that arose later in evolution. For example, the ancestral vertebrate brain was likely devoid of cerebellar cell types and oligodendrocytes (myelinating cells); our data suggest that the latter emerged from astrocyte-like evolutionary precursors on the jawed vertebrate lineage. Our work illuminates the cellular and molecular architecture of the ancestral vertebrate brain and provides a foundation for exploring its diversification during evolution.

Summary Classical neurotransmitters are mainly known for their roles as neuromodulators, but they also play important roles in the control of developmental and regenerative processes. Here, we used the lamprey model of spinal cord injury to study the effect of serotonin in axon regeneration at the level of individually identifiable descending neurons. Pharmacological and genetic treatments after a complete spinal cord injury showed that endogenous serotonin inhibits axonal regeneration in identifiable descending neurons through the activation of serotonin 1A receptors and a subsequent decrease in cAMP levels. RNA sequencing revealed that changes in the expression of genes that control axonal guidance could be a key factor on the serotonin effects during regeneration. This study provides new targets of interest for research in non-regenerating mammalian models of traumatic CNS injuries and extends the known roles of serotonin signalling during neuronal regeneration.

In mammals, spinal cord injury (SCI) causes permanent disability. The poor regenerative capacity of descending neurons is one of the main causes of the lack of recovery after SCI. In addition, the prevention of retrograde degeneration leading to the atrophy or death of descending neurons is an obvious prerequisite for the activation of axonal regeneration. Lampreys show an amazing regenerative capacity after SCI. Recent histological work in lampreys suggested that GABA, which is massively released after a SCI, could promote the survival of descending neurons. Here, we aimed to study if GABA, acting through GABAB receptors, promotes the survival and axonal regeneration of descending neurons of larval sea lampreys after a complete SCI. First, we used in situ hybridization to confirm that identifiable descending neurons of late stage larvae express the gabab1 subunit of the sea lamprey GABAB receptor. We also observed an acute increase in the expression of this subunit in descending neurons after a complete SCI, which further supported the possible role of GABA and GABAB receptors in promoting the survival and regeneration of these neurons. So, we performed gain and loss of function experiments to confirm this hypothesis. Treatments with GABA and baclofen (GABAB agonist) significantly reduced caspase activation in descending neurons 2 weeks after a complete SCI. Long-term treatments with GABOB (a GABA analogue) and baclofen significantly promoted axonal regeneration of descending neurons after SCI. These data indicate that GABAergic signalling through GABAB receptors promotes the survival and regeneration of descending neurons after SCI. Finally, we used morpholinos against the gabab1 subunit to specifically knockdown the expression of the GABAB receptor in descending neurons. Long-term morpholino treatments caused a significant inhibition of axonal regeneration, which shows that endogenous GABA promotes axonal regeneration after a complete SCI in lampreys by activating GABAB receptors expressed in descending neurons. These data implicate GABAB receptors in spinal cord regeneration in lampreys and further provide a new target of interest for SCI.

Taurine is one of the most abundant free amino acids in the brain. It is well known that taurine protects the brain from further damage after a traumatic event. However, only a few ex vivo studies have looked at the possible role of taurine in the regulation of axon regeneration after injury. Here, we aimed to reveal the possible role for taurine in the modulation of axonal regeneration following a complete spinal cord injury (SCI) using lampreys as an animal model. The brainstem of lampreys contains several individually identifiable descending neurons that differ greatly in their capacity for axonal regeneration after SCI. This offers a convenient model to promote or inhibit axonal regrowth in the same in vivo preparation. First, we carried out high performance liquid chromatography experiments to measure taurine levels in the spinal cord following SCI. Our results revealed a statistically significant increase in taurine levels 4 weeks post lesion, which suggested that taurine might have a positive effect on axonal regrowth. Based on these results, we decided to apply an acute taurine treatment at the site of injury to study its effect on axon regeneration. Results from these experiments show that an acute taurine treatment enhances axonal regeneration following SCI in lampreys. This offers a novel way to try to promote axon regeneration after nervous system injuries in mammalian models.

Five prosomatostatin genes (PSST1, PSST2, PSST3, PSST5 and PSST6) have been recently identified in elasmobranchs (Tostivint, Gaillard, Mazan, & Pezeron, 2019). In order to gain insight into the contribution of each somatostatin to specific nervous systems circuits and behaviors in this important jawed vertebrate group, we studied the distribution of neurons expressing PSST mRNAs in the catshark Scyliorhinus canicula using in situ hybridization with specific probes for the five PSSTs transcripts. Additionally, we combined in situ hybridization with tyrosine hydroxylase (TH) immunochemistry for better localization of some PSSTs-positive populations. The five PSST genes showed expression in the brain, although with important differences in distribution. PSST1 and PSST6 were widely expressed in different brain regions. Instead, PSST2 and PSST3 were expressed only in the ventral hypothalamus and in some hindbrain lateral reticular neurons, whereas PSST5 was only expressed in the region of the entopeduncular nucleus. PSST1 and PSST6 were expressed by numerous pallial neurons, although in different populations judging from the colocalization of tyrosine hydroxylase (TH) immunoreactivity and PSST6 expression in pallial neurons and the absence of colocalization between TH and PSST1 expression. Differential expression of PSST1 and PSST6 was also observed in the subpallium, hypothalamus, diencephalon, optic tectum, midbrain tegmentum and rhombencephalon. Expression of PSST1 was observed in numerous cerebrospinal fluid-contacting (CSF-c) neurons of the paraventricular organ of the hypothalamus and the central canal of the spinal cord. These wide differences in expression of PSST genes together with the numerous brain nuclei expressing PSSTs, indicate that catshark somatostatinergic neurons are implicated differentially in a number of neural circuits.