För 520 miljoner år sen visade det kloda spindelliknande fossilet tydliga bevis på en hjärna och nervsträngar som sprang genom varelsens baklucka.
Exemplet bekräftar nu att spindlars och skorpioners förfäder var släkt, men förgrenade sig för mer än en halv miljard år sedan.
En grupp internationella forskare presenterar sitt arbete i naturen.
De "stora bihangen" leddjuren är en utdöd grupp av ledbenade varelser med stora kloliknande bihang - eller utväxter - som sticker ut ur deras huvuden.
Nervsystemet tenderar att vara lika mellan stora grupper av djur, vilket hjälper paleontologer att räkna ut hur de är relaterade, förklarade Greg Edgecombe från Natural History Museum i London.
– Nervsystemet är en av de mer pålitliga verktygslådor vi har. Vi försökte undersöka om det fanns bevis för bevarandet av neurala vävnader från mycket tidiga delar av djurfossil rekord," berättade han BBC News.
"Vad vi har arbetat med är fossiler med mycket fin anatomisk bevarande från Cambrian perioden. Dessa har gett oss information om hjärnor, nervtrådarna och nervvävnaden som går in i ögonen."
Nytt för vetenskapen, fossilet upptäcktes nyligen i södra Kina och är en del av släktet Alalcomenaeus. Denna grupp hade segmenterade kroppar utrustade med omkring ett dussin par bihang som gjorde det möjligt för varelserna att simma eller krypa.
Den placerades i en CT-scanner och jämfördes med andra leddjur för att förstå dess utveckling. Teamet använde sedan 3D-programvara för att se strukturer som inte syns på ytan av fossilet.
"Människor som mig själv som är galna som gillar läskiga kräldjur vill förstå hur mycket konstiga tidiga leddjur relaterar till levande," tillade Dr Edgecombe.
"Genom att ha tillgång till nervsystemet gör det att vi kan studera de evolutionära förhållandena hos mycket gamla fossiler med hjälp av samma typ av information som vi skulle använda för levande djur."
Medförfattare, Xiaoya Ma, också från Naturhistoriska museet, sade: "Det är mycket spännande att använda nya tekniker för att framgångsrikt avslöja en sådan fullständig centrala nervsystemet från en 520 miljoner år gammal fossil, och i sådan detalj."
Hon berättade för BBC: s Science in Action program att den höga upplösningen av den rekonstruerade bilden gjorde det möjligt för laget att se "de koncentrerade neurala strukturerna i huvudregionen". De kunde också observera de segment av hjärnan som är förknippade med de kloliknande bihangen.
Fossilet tillhör en utdöd grupp av marina leddjur som kallas megacheiraner, grekiska för "stora klor".
För att dra den evolutionära relationen mellan arter sammanföll paleontologins och neuroanatomins fält.
Nicholas Strausfeld var från anatomin i laget vid University of Arizona i USA.
"Vi vet nu att megacheiranerna hade centrala nervsystem som mycket liknar dagens hästskokrabbor och skorpioner", säger Prof Strausfeld.
"Det betyder att spindlarnas och deras släktingars förfäder levde sida vid sida med kräftdjurens förfäder i lägre kambriern."
Han tillade att deras framträdande bihang tydligt användes för att gripa och hålla.
"Baserat på deras läge, kan vi nu säga att de bitande mundelarna i spindlar och deras släktingar utvecklades från dessa bihang."
Teamet säger att de förväntar sig att hitta fler fossil som daterar sig ännu längre tillbaka, vilket kommer att kasta nytt ljus över förfäderna till många av dagens leddjur.
Forskare har upptäckt det bäst bevarade nervsystemet i ett gammalt fossil.