Мы наконец знаем, почему человеческий мозг больше, чем у человекообразных обезьян
Это один из признаков, который больше всего отличает людей от их близких родственников: кора головного мозга взрослого человека в три раза больше и имеет почти в два раза больше нейронов, чем у человекообразных обезьян. Ученые теперь объясняют эту разницу: в частности, они обнаружили, что ранее неизвестный молекулярный переключатель контролирует рост клеток мозга.
Человеческий мозг быстро расширился с тех пор, как наш вид отделился от других приматов; таким образом он стал самым большим из всех мозгов приматов. Обычно во взрослом возрасте он вырастает примерно до 1500 см³. См, что примерно в три раза больше, чем мозг гориллы (500 см³) или мозг шимпанзе (400 см³). Предыдущие исследования изучали различия в развитии мозга человека и грызунов, выявляя несоответствия в поведении нейронных предшественников, нейрогенезе и цитоархитектуре.
Таким образом, механизмы, управляющие этим расхождением в эволюции приматов и грызунов, достаточно хорошо изучены. Однако изменения, которые произошли у людей по сравнению с обезьянами, еще предстоит объяснить. Поэтому биологи изучили этот вопрос и обнаружили несколько объяснений гипертрофии человеческого мозга.
Чтобы провести свое исследование, исследователи собрали клетки людей, шимпанзе и горилл, затем перепрограммировали их в стволовые клетки, которые они культивировали в крошечные органоиды мозга - небольшие многоклеточные структуры размером в несколько миллиметров, воспроизводящие микроанатомию ткани мозга.
После нескольких недель развития органоиды человеческого мозга были на сегодняшний день самыми большими в партии. И не зря: ученые обнаружили, что в мозговой ткани человека клетки — предшественники нейронных клеток, которые делают все клетки мозга, делятся больше, чем в мозговой ткани человекообразных обезьян. "Мы обнаружили разницу в клеточном поведении очень, очень рано, что позволяет человеческому мозгу расти", - сказала доктор Мадлен Ланкастер (Madeleine Lancaster), биолог-разработчик из Лаборатории молекулярной биологии Медицинского исследовательского совета в Кембридже.
Однако, когда наступает стадия дифференцировки клеток головного мозга, которая включает в себя производство нейронов, тот факт, что вначале в ткани человека гораздо больше клеток, приводит к увеличению общей популяции клеток головного мозга по всей коре. Математическое моделирование этого процесса показало, что разница в пролиферации клеток возникает на столь раннем этапе развития мозга, что в конечном итоге приводит к почти удвоению количества нейронов в коре головного мозга взрослого человека по сравнению с таковым у человекообразных обезьян.
Органоиды человека были постоянно больше, чем органоиды горилл и шимпанзе на стадии, когда нейроэпителиальные почки сформировались и расширялись. Во время этой экспансии, вплоть до третьего дня после нейральной индукции, размер и архитектура ткани трех видов были очень похожи. Но к пятому дню органоиды гориллы и шимпанзе показали округлые нейроэпителиальные почки, которые были более округлыми, чем у органоидов человека, которые вместо этого приняли удлиненную форму.
Полученные результаты демонстрируют, что нейроэпителиальная дифференцировка у обезьян представляет собой длительный процесс, который включает ранее нераспознанное переходное состояние, характеризующееся изменением формы клеток. Во время этого перехода изменения формы клеток происходят до изменения идентичности клеток и начала нейрогенеза. Похоже, что человеческие органоиды больше из-за задержки в этом морфологическом переходе, связанной с различиями в межцинетической ядерной миграции (смещение тела клетки, специфичное для нейрогенного деления) и длине клеточного цикла (короче у человека).
Кроме того, исследователи определили ключевой ген, участвующий в этом процессе. Они обнаружили, что этот ген, названный Zeb2, активируется в тканях человека позже, чем в тканях обезьяны, что еще больше задерживает переходную фазу. В результате у человеческих клеток больше времени для деления и созревания. Этот ген, похоже, действует как своего рода переключатель роста клеток: тесты показали, что задержка действия Zeb2 вызывает набухание ткани мозга горилл. И наоборот, активация его раньше в органоидах человеческого мозга заставила их расти, как у обезьян.
Джон Мейсон, профессор молекулярного нейронного развития в Эдинбургском университете, который не участвовал в этом исследовании, указывает, что это исследование является еще одним свидетельством интереса органоидов к исследованиям развития мозга. Он также подчеркивает, что лучшее понимание развития мозга необходимо для определения того, как могут возникать нарушения развития нервной системы. "На размер мозга могут влиять определенные расстройства нервного развития, например, макроцефалия характерна для определенных расстройств аутистического спектра", - объясняет специалист. Таким образом, понимание этих фундаментальных процессов эмбрионального развития мозга может привести к лучшему пониманию или даже лучшей профилактике этих нарушений.