Genekspression i neuroner løser et puslespil med hjerneudvikling

Neocortex skiller sig ud som en fantastisk præstation af biologisk evolution. Alle pattedyr har dette væv, der dækker deres hjerne, og de seks lag af tætpakkede neuroner indeni håndterer de sofistikerede beregninger og associationer, der producerer kognitiv dygtighed. Da ingen andre dyr end pattedyr har en neocortex, har videnskabsmænd undret sig over, hvordan en så kompleks hjerneregion udviklede sig.

Krybdyrs hjerner syntes at give et fingerpeg. Ikke alene er krybdyr de nærmeste levende slægtninge til pattedyr, men deres hjerner har en tre-lags struktur kaldet en dorsal ventrikulær ridge, eller DVR, med funktionelle ligheder med neocortex. I mere end 50 år har nogle evolutionære neurovidenskabsmænd hævdet, at neocortex og DVR begge var afledt af et mere primitivt træk i en forfader, der deles af pattedyr og krybdyr.

Men nu, ved at analysere molekylære detaljer, der er usynlige for det menneskelige øje, har videnskabsmænd tilbagevist det synspunkt. Ved at se på mønstre for genekspression i individuelle hjerneceller viste forskere ved Columbia University, at på trods af de anatomiske ligheder, er neocortex hos pattedyr og DVR hos krybdyr ikke forbundne. I stedet ser det ud til, at pattedyr har udviklet neocortex som en helt ny hjerneregion, en der er bygget uden et spor af, hvad der kom før den. Neocortex er sammensat af nye typer neuroner, der ikke ser ud til at have nogen præcedens hos forfædres dyr.

Papiret beskriver dette arbejde, som blev ledet af evolutions- og udviklingsbiologen Maria Antonietta Tosches, blev udgivet i september sidste år i Videnskab.

Denne proces med evolutionær innovation i hjernen er ikke begrænset til skabelsen af ​​nye dele. Andet arbejde af Tosches og hendes kolleger i samme nummer af Videnskab viste, at selv tilsyneladende gamle hjerneregioner fortsætter med at udvikle sig ved at blive omkoblet med nye typer celler. Opdagelsen af, at genekspression kan afsløre denne slags vigtige skel mellem neuroner, får også forskere til at genoverveje, hvordan de definerer nogle hjerneregioner, og til at revurdere, om nogle dyr kan have mere komplekse hjerner, end de troede.

Aktive gener i enkelte neuroner

Tilbage i 1960'erne foreslog den indflydelsesrige neuroforsker Paul MacLean en idé om hjernens udvikling, som var forkert, men som stadig havde en varig indflydelse på området. Han foreslog, at de basale ganglier, en gruppe af strukturer nær bunden af ​​hjernen, var en tilbageholdelse fra en "øglehjerne", der udviklede sig i krybdyr og var ansvarlig for overlevelsesinstinkter og -adfærd. Da tidlige pattedyr udviklede sig, tilføjede de et limbisk system til regulering af følelser over de basale ganglier. Og da mennesker og andre avancerede pattedyr opstod, tilføjede de ifølge MacLean en neocortex. Som en "tænkehætte" sad den i toppen af ​​stakken og bidrog til højere erkendelse.

Denne "triune brain"-model fangede offentlighedens fantasi, efter at Carl Sagan skrev om den i sin Pulitzer-prisvindende bog fra 1977 Edens drager. Evolutionære neurovidenskabsmænd var mindre imponerede. Undersøgelser afkræftede snart modellen ved at vise endegyldigt, at hjerneregioner ikke udvikler sig pænt oven på hinanden. I stedet udvikler hjernen sig som en helhed, hvor ældre dele undergår modifikationer for at tilpasse sig tilføjelsen af ​​nye dele, forklaret Paul Cisek, en kognitiv neuroforsker ved University of Montreal. "Det er ikke som at opgradere din iPhone, hvor du indlæser en ny app," sagde han.

Den bedst understøttede forklaring på oprindelsen af ​​nye hjerneregioner var, at de udviklede sig for det meste ved at duplikere og modificere allerede eksisterende strukturer og neurale kredsløb. Til mange evolutionsbiologer, som f.eks Harvey Karten fra University of California, San Diego, antydede lighederne mellem pattedyrets neocortex og krybdyr-DVR, at de i evolutionære termer er homologe - at de begge udviklede sig fra en struktur, der er videregivet fra en forfader, der deles af pattedyr og krybdyr.

Men andre forskere, bl.a Luis Puelles fra universitetet i Murcia i Spanien, var uenig. I udviklingen af ​​pattedyr og krybdyr så de tegn på, at neocortex og DVR tog form gennem helt andre processer. Dette antydede, at neocortex og DVR udviklede sig uafhængigt. Hvis ja, havde deres ligheder intet at gøre med homologi: De var sandsynligvis tilfældigheder dikteret af funktionerne og begrænsningerne på strukturerne.

Debatten om oprindelsen af ​​neocortex og DVR strakte sig over årtier. Nu er en nyligt udviklet teknik dog med til at bryde dødvandet. Enkeltcellet RNA-sekventering gør det muligt for forskere at aflæse, hvilke gener der transskriberes i en enkelt celle. Ud fra disse genekspressionsprofiler kan evolutionære neuroforskere identificere et væld af detaljerede forskelle mellem individuelle neuroner. De kan bruge disse forskelle til at bestemme, hvor evolutionært ens neuronerne er.

"Fordelen ved at se på genekspression er, at du profilerer noget, der sammenligner æbler med æbler," sagde Trygve Bakken, en molekylær neurovidenskabsmand ved Allen Institute for Brain Science. "Når du sammenligner gen A i et firben med gen A i et pattedyr, ved vi ... at det virkelig er det samme, fordi de har en fælles evolutionær oprindelse."

Teknikken indvarsler en ny æra for evolutionær neurovidenskab. "Det har vist [os] nye cellepopulationer, som vi bare ikke vidste eksisterede," sagde Courtney Babbitt, en ekspert i evolutionær genomik ved University of Massachusetts, Amherst. "Det er svært at forske i noget, du ikke ved eksisterer."

I 2015 øgede gennembrud inden for enkeltcellet RNA-sekventering antallet af celler, det kunne bruges til i en prøve med en størrelsesorden. Tosches, som dengang lige var begyndt på sin postdoc i laboratoriet i Gilles Laurent fra Max Planck Institute for Brain Research i Tyskland, var begejstret for at bruge teknikken til at studere neocortex' oprindelse. "Vi sagde, 'OK, lad os prøve det'," huskede hun.

Tre år senere udgav Tosches og hendes kolleger deres første resultater sammenligne neuroncelletyperne hos skildpadder og firben med dem hos mus og mennesker. Forskellene i genekspression antydede, at reptil DVR og pattedyrs neocortex udviklede sig uafhængigt af forskellige områder af hjernen.

"2018-papiret var virkelig et skelsættende papir, idet det var den første virkelig omfattende molekylære karakterisering af neurale typer mellem pattedyr og krybdyr," sagde Bradley Colquitt, en molekylær neuroforsker ved University of California, Santa Cruz.

Men for virkelig at bekræfte, at de to hjerneområder ikke udviklede sig fra den samme forfædres kilde, indså Tosches og hendes team, at de havde brug for at vide mere om, hvordan neurale celletyper i pattedyr og krybdyr kan sammenlignes med neuronerne i en gammel fælles forfader.

De besluttede at lede efter spor i hjernen på en salamander kaldet den skarpribbede salamander. (Den har sit navn fra dens evne til at skubbe sine ribben ud gennem huden for at forgifte og spidde rovdyr.) Salamandere er padder, som splittes væk fra den slægt, de delte med pattedyr og krybdyr omkring 30 millioner år efter de første firbenede dyr. vandrede ind på land og millioner af år før pattedyrene og krybdyrene splittes fra hinanden. Som alle hvirveldyr har salamandere en struktur kaldet et pallium, der sidder nær den forreste del af hjernen. Hvis salamandere havde neuroner i deres pallium, der lignede neuroner i pattedyrs neocortex eller reptil DVR, så må disse neuroner have eksisteret i en gammel forfader, som alle tre grupper af dyr delte.

Start forfra med Neocortex

I deres papir fra 2022 udførte Tosches' laboratorium enkeltcellet RNA-sekventering på tusindvis af salamander-hjerneceller og sammenlignede resultaterne med data indsamlet tidligere fra krybdyr og pattedyr. Små salamanderhjerner, hver omkring en halvtredsindstyvendedel af volumen af ​​en musehjerne, blev møjsommeligt forberedt og mærket af forskerne. Hjernerne blev derefter sat ind i en maskine på størrelse med en skoæske, der forberedte alle prøverne til sekventering på omkring 20 minutter. (Tosches bemærkede, at før de seneste teknologiske forbedringer ville det have taget et år.)

Efter at forskerne havde analyseret sekventeringsdataene, blev svaret på debatten klart. Nogle af neuronerne i salamanderen matchede neuroner i reptil DVR, men nogle gjorde det ikke. Dette antydede, at i det mindste dele af DVR'en udviklede sig fra pallium fra en forfader, der blev delt med padder. De uovertrufne celler i DVR'en så ud til at være innovationer, der dukkede op, efter at amfibie- og krybdyr-slægten var divergeret. Reptilian DVR var derfor en blanding af nedarvede og nye typer neuroner.

Pattedyr var dog en anden historie. Salamanderneuroner matchede ikke noget i pattedyrets neocortex, selvom de lignede celler i dele af pattedyrshjernen uden for neocortex.

Desuden matchede flere slags celler i neocortex - specifikt de typer pyramidale neuroner, der udgør størstedelen af ​​neuroner i strukturen - heller ikke med celler i krybdyrene. Tosches og hendes kolleger foreslog derfor, at disse neuroner udelukkende udviklede sig i pattedyr. De er ikke de første forskere, der foreslår den oprindelse for cellerne, men de er de første til at frembringe beviser for det ved hjælp af den kraftige opløsning af enkeltcellet RNA-sekventering.

Tosches og hendes team foreslår, at stort set hele pattedyrets neocortex er en evolutionær innovation. Så mens i det mindste en del af reptil-DVR blev tilpasset fra hjerneregionen af ​​et forfædres væsen, udviklede pattedyrets neocortex sig som en ny hjerneregion, der voksede frem med nye celletyper. Deres svar på årtiers debat er, at pattedyrets neocortex og krybdyr-DVR ikke er homologe, fordi de ikke har en fælles oprindelse.

Georg Striedter, en neurovidenskabsforsker ved University of California, Irvine, der studerer komparativ neurobiologi og dyreadfærd, hyldede disse resultater som spændende og overraskende. "Jeg følte, at det gav virkelig gode beviser for noget, som jeg kun havde spekuleret i," sagde han.

Det nye svar fra Tosches' hold betyder ikke, at neocortex hos pattedyr udviklede sig til at sidde pænt oven på ældre hjerneområder, som den treenige hjerneteori foreslog. I stedet for, efterhånden som neocortex udvidede sig og nye typer pyramidale neuroner blev født inden i den, blev andre hjerneregioner ved med at udvikle sig i takt med den. De hang ikke bare som en gammel "øglehjerne" nedenunder. Det er endda muligt, at kompleksiteten, der dukker op i neocortex, skubbede andre hjerneregioner til at udvikle sig - eller omvendt.

Tosches og hendes kolleger har for nylig afsløret bevis på, at tilsyneladende gamle hjerneregioner stadig udvikler sig i et andet papir der udkom i september-udgaven af ​​2022 Videnskab. Hun slog sig sammen med Laurent, hendes postdoc mentor, for at se, hvad enkeltcellet RNA-sekventering kunne afsløre om nye og gamle celletyper i en sammenligning af en firbenhjerne med en musehjerne. Først sammenlignede de hele rækken af ​​neurale celletyper i hver art for at finde dem, de delte, som må være blevet videregivet fra en fælles forfader. Derefter ledte de efter neurale celletyper, der var forskellige mellem arterne.

Deres resultater viste, at både konserverede og nye neurale celletyper findes over hele hjernen - ikke kun i de hjerneområder, der dukkede op for nylig. Hele hjernen er en "mosaik" af gamle og nye celletyper, sagde Justus Kebschull, en evolutionær neuroforsker ved Johns Hopkins University.

Nytænkning af definitioner

Nogle videnskabsmænd siger dog, at det ikke er så let at erklære debatten for afsluttet. Barbara Finlay, en evolutionær neuroforsker ved Cornell University, mener, at det stadig er nødvendigt at se på, hvordan neuroner genereres, og hvordan de migrerer og forbinder sig under udvikling, i stedet for kun at sammenligne, hvor de ender i voksne amfibie-, krybdyr- og pattedyrs hjerner. Finlay mener, at det ville være "fantastisk", hvis disse resultater alle kunne samles. "Det tror jeg, vi vil med tiden," sagde hun.

Tosches bemærkede, at amfibiehjerner kunne have mistet en vis kompleksitet, som var til stede i en tidligere fælles forfader. For at vide det med sikkerhed sagde Tosches, at forskere bliver nødt til at bruge enkeltcellet RNA-sekvensering på primitive benfiskearter eller andre padder, der stadig lever i dag. Det eksperiment kunne afsløre, om nogen af ​​de typer neuroner, der ses hos pattedyr, havde forgængere hos dyr før amfibier.

Arbejdet fra Tosches og hendes kolleger har også givet anledning til nye diskussioner om, hvorvidt feltet skal genoverveje, hvad en hjernebark er, og hvilke dyr der har en. Den nuværende definition siger, at en cerebral cortex skal have synlige neurale lag som neocortex eller DVR, men Tosches betragter det som "bagage" tilbage fra traditionel neuroanatomi. Da hendes team brugte de nye sekventeringsværktøjer, fandt de beviser på lag i salamanderens hjerne også.

"Der er ingen grund for mig til at sige, at salamandere eller padder ikke har en cortex," sagde Tosches. "På dette tidspunkt, hvis vi kalder krybdyrbarken en cortex, burde vi også kalde salamanderen pallium for en cortex."

Babbitt mener, at Tosches har en pointe. "Hvordan disse ting blev defineret med klassisk morfologi, vil sandsynligvis bare ikke holde op bare baseret på de værktøjer, vi har nu," sagde Babbitt.

Spørgsmålet handler om, hvordan neurovidenskabsmænd bør tænke på fugle. Eksperter er enige om, at fugle har imponerende kognitive evner som kan matche eller overgå mange pattedyrs. Fordi fugle nedstammer fra krybdyr, har de også en DVR - men af ​​en eller anden grund er hverken deres DVR eller deres andre "cortex-lignende" hjerneområder organiseret i tydelige lag. Fraværet af synlige lag ser ikke ud til at have stoppet disse regioner fra at understøtte kompleks adfærd og færdigheder. Ikke desto mindre er fugle stadig ikke anerkendt som havende en cortex.

Et så stærkt fokus på udseende kan føre videnskabsmænd på afveje. Som de nye enkeltcelledata fra Tosches' team viser, "kan udseendet bedrage, når det kommer til homologi," sagde Striedter.