بیان ژن در نورون ها معمای تکامل مغز را حل می کند

نئوکورتکس به عنوان یک دستاورد خیره کننده از تکامل بیولوژیکی برجسته است. همه پستانداران دارای این نوار بافتی هستند که مغزشان را پوشانده است و شش لایه نورون‌های فشرده درون آن محاسبات و ارتباطات پیچیده‌ای را انجام می‌دهند که قدرت شناختی ایجاد می‌کنند. از آنجایی که هیچ حیوانی غیر از پستانداران نئوکورتکس ندارد، دانشمندان متحیر شده اند که چگونه چنین ناحیه پیچیده مغز تکامل یافته است.

به نظر می رسید مغز خزندگان سرنخی ارائه می دهد. خزندگان نه تنها نزدیکترین خویشاوندان زنده پستانداران هستند، بلکه مغز آنها دارای ساختار سه لایه ای به نام برجستگی بطنی پشتی یا DVR است که شباهت های عملکردی به نئوکورتکس دارد. برای بیش از 50 سال، برخی از دانشمندان علوم اعصاب تکاملی استدلال کرده‌اند که نئوکورتکس و DVR هر دو از یک ویژگی ابتدایی‌تر در اجداد مشترک پستانداران و خزندگان مشتق شده‌اند.

با این حال، اکنون دانشمندان با تجزیه و تحلیل جزئیات مولکولی نامرئی با چشم انسان، این دیدگاه را رد کرده اند. محققان دانشگاه کلمبیا با بررسی الگوهای بیان ژن در سلول‌های مغزی منفرد نشان دادند که علیرغم شباهت‌های آناتومیکی، نئوکورتکس در پستانداران و DVR در خزندگان ارتباطی با هم ندارند. در عوض، به نظر می‌رسد پستانداران نئوکورتکس را به‌عنوان یک ناحیه کاملاً جدید مغز تکامل داده‌اند، منطقه‌ای که بدون هیچ اثری از آنچه قبل از آن بوده ساخته شده است. نئوکورتکس از انواع جدیدی از نورون‌ها تشکیل شده است که به نظر می‌رسد در حیوانات اجدادی سابقه نداشته است.

کاغذ شرح این کار، که توسط زیست شناس تکاملی و تکاملی رهبری شد ماریا آنتونیتا توشس، در سپتامبر گذشته منتشر شد علم.

این فرآیند نوآوری تکاملی در مغز به ایجاد بخش‌های جدید محدود نمی‌شود. کارهای دیگر توشس و همکارانش در همین شماره علم نشان داد که حتی مناطق به ظاهر باستانی مغز با سیم کشی مجدد با انواع جدیدی از سلول ها به تکامل خود ادامه می دهند. این کشف که بیان ژن می‌تواند این نوع تمایزات مهم بین نورون‌ها را آشکار کند، همچنین محققان را بر آن می‌دارد تا درباره نحوه تعریف برخی از مناطق مغز و ارزیابی مجدد اینکه آیا برخی از حیوانات ممکن است مغزهای پیچیده‌تری از آنچه فکر می‌کردند داشته باشند، تجدید نظر کنند.

ژن های فعال در تک نورون ها

در دهه 1960، عصب شناس بانفوذ، پل مک لین، ایده ای در مورد تکامل مغز ارائه کرد که اشتباه بود، اما هنوز تأثیری ماندگار در این زمینه داشت. او پیشنهاد کرد که عقده‌های قاعده‌ای، مجموعه‌ای از ساختارهای نزدیک به پایه مغز، ذخیره‌ای از «مغز مارمولک» است که در خزندگان تکامل یافته و مسئول غرایز و رفتارهای بقا است. هنگامی که پستانداران اولیه تکامل یافتند، یک سیستم لیمبیک برای تنظیم احساسات بالای گانگلیون های پایه اضافه کردند. و هنگامی که انسان ها و سایر پستانداران پیشرفته به وجود آمدند، به گفته مک لین، یک نئوکورتکس اضافه کردند. مانند یک "کلاه فکری"، در بالای پشته قرار گرفت و شناخت بالاتری را به مردم منتقل کرد.

این مدل «مغز سه گانه» پس از اینکه کارل سیگان در کتاب برنده جایزه پولیتزر در سال 1977 درباره آن نوشت، تخیل عمومی را مجذوب کرد. اژدهایان عدن. عصب شناسان تکاملی کمتر تحت تأثیر قرار گرفتند. مطالعات به زودی با نشان دادن قطعی این که مناطق مغز به طور منظم یکی بر روی دیگری تکامل نمی‌یابند، این مدل را از بین برد. در عوض، مغز به عنوان یک کل تکامل می‌یابد و بخش‌های قدیمی‌تر برای انطباق با افزودن بخش‌های جدید دستخوش تغییراتی می‌شوند. پل سیسک، یک عصب شناس شناختی در دانشگاه مونترال. او گفت: «این مانند ارتقای آیفون نیست، جایی که یک برنامه جدید را بارگذاری می‌کنید.

بهترین توضیح برای منشاء نواحی جدید مغز این بود که آنها عمدتاً با تکثیر و اصلاح ساختارها و مدارهای عصبی از قبل موجود تکامل یافته‌اند. برای بسیاری از زیست شناسان تکاملی، مانند هاروی کارتن از دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو، شباهت‌های بین نئوکورتکس پستانداران و DVR خزندگان نشان می‌دهد که از نظر تکاملی، همولوگ هستند - که هر دو از ساختاری به وجود آمده‌اند که از اجداد مشترک پستانداران و خزندگان به وجود آمده‌اند.

اما سایر محققان از جمله لوئیس پوئلس از دانشگاه مورسیا در اسپانیا، مخالفت کرد. در رشد پستانداران و خزندگان، آنها نشانه هایی را مشاهده کردند که نشان می دهد نئوکورتکس و دستگاه DVR از طریق فرآیندهای کاملاً متفاوت شکل گرفته اند. این نشان می دهد که نئوکورتکس و DVR به طور مستقل تکامل یافته اند. اگر چنین است، شباهت های آنها هیچ ربطی به همسانی ندارد: آنها احتمالاً تصادفی بودند که توسط عملکردها و محدودیت های ساختارها دیکته شده بودند.

بحث در مورد منشا نئوکورتکس و DVR در طول چندین دهه ادامه داشت. با این حال، اکنون یک تکنیک اخیراً توسعه یافته به شکستن بن بست کمک می کند. توالی یابی RNA تک سلولی دانشمندان را قادر می سازد تا بخوانند کدام ژن در یک سلول واحد رونویسی می شود. از این پروفایل‌های بیان ژن، عصب‌شناسان تکاملی می‌توانند تعداد زیادی از تفاوت‌های دقیق بین نورون‌های فردی را شناسایی کنند. آن‌ها می‌توانند از این تفاوت‌ها برای تعیین اینکه نورون‌ها از نظر تکاملی شبیه هم هستند استفاده کنند.

می‌گوید: «مزیت بررسی بیان ژن این است که شما در حال ایجاد پروفایل چیزی هستید که سیب را با سیب مقایسه می‌کند. تریگو باکن، یک عصب شناس مولکولی در موسسه آلن برای علوم مغز. وقتی ژن A را در مارمولک با ژن A در پستانداران مقایسه می‌کنید، می‌دانیم که اینها واقعاً یکسان هستند زیرا منشأ تکاملی مشترک دارند.»

این تکنیک عصر جدیدی را برای علوم اعصاب تکاملی آغاز می کند. گفت: «این به [ما] جمعیت سلولی جدیدی نشان داده شده است که ما نمی‌دانستیم وجود دارند کورتنی بابیت، متخصص ژنومیک تکاملی در دانشگاه ماساچوست، آمهرست. «تحقیق در مورد چیزی که نمی‌دانید وجود دارد سخت است.»

در سال 2015، پیشرفت‌ها در توالی‌یابی RNA تک سلولی، تعداد سلول‌هایی را که می‌توان برای آنها در یک نمونه مورد استفاده قرار داد، به ترتیبی افزایش داد. توشس، که در آن زمان به تازگی دوره فوق دکتری خود را در آزمایشگاه آغاز کرده بود ژیل لوران از موسسه تحقیقات مغز ماکس پلانک در آلمان، از استفاده از این تکنیک برای مطالعه منشا نئوکورتکس هیجان‌زده بود. او به یاد می آورد: "ما گفتیم، "باشه، بیایید آن را امتحان کنیم."

سه سال بعد، توشس و همکارانش منتشر کردند اولین نتایج آنها مقایسه انواع سلول های عصبی در لاک پشت ها و مارمولک ها با سلول های موش و انسان. تفاوت در بیان ژن نشان می دهد که DVR خزنده و نئوکورتکس پستانداران به طور مستقل از مناطق مختلف مغز تکامل یافته اند.

گفت: "مقاله 2018 واقعاً یک مقاله برجسته بود زیرا اولین توصیف مولکولی واقعا جامع انواع عصبی بین پستانداران و خزندگان بود." بردلی کولکیت، یک عصب شناس مولکولی در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز.

اما برای تأیید واقعی اینکه دو ناحیه مغز از یک منبع اجدادی تکامل نیافته‌اند، توشس و تیم او دریافتند که باید درباره اینکه چگونه انواع سلول‌های عصبی در پستانداران و خزندگان با نورون‌های یک اجداد مشترک باستانی مقایسه می‌شود، بیشتر بدانند.

آنها تصمیم گرفتند به دنبال سرنخ هایی در مغز سمندری به نام نیوت با دنده تیز بگردند. (نام خود را از توانایی آن در بیرون راندن دنده هایش از طریق پوستش گرفته تا شکارچیان را مسموم کند و به چوب بریزد.) سمندرها دوزیستانی هستند که حدود 30 میلیون سال پس از اولین حیوانات چهار پا از دودمان مشترک خود با پستانداران و خزندگان جدا شدند. میلیون ها سال قبل از جدا شدن پستانداران و خزندگان از یکدیگر، در خشکی سرگردان شدند. مانند همه مهره داران، سمندرها ساختاری به نام پالیوم دارند که در نزدیکی جلوی مغز قرار دارد. اگر سمندرها در پالیوم خود دارای نورون هایی بودند که شبیه به نورون های موجود در نئوکورتکس پستانداران یا DVR خزندگان بودند، پس این نورون ها باید در یک اجداد باستانی وجود داشته باشند که هر سه گروه از حیوانات مشترک بودند.

شروع دوباره با نئوکورتکس

آزمایشگاه توش در مقاله خود در سال 2022، توالی RNA تک سلولی را بر روی هزاران سلول مغز سمندر انجام داد و نتایج را با داده های جمع آوری شده قبلی از خزندگان و پستانداران مقایسه کرد. مغزهای ریز سمندر که هر کدام حدود یک پنجاهم حجم مغز موش است، توسط محققان با زحمت آماده و برچسب گذاری شدند. سپس مغزها در دستگاهی به اندازه یک جعبه کفش قرار داده شدند که تمام نمونه ها را برای توالی یابی در حدود 20 دقیقه آماده می کرد. (توشس خاطرنشان کرد که قبل از پیشرفت های اخیر فناوری، یک سال طول می کشید.)

پس از تجزیه و تحلیل داده های توالی توسط محققان، پاسخ این بحث روشن شد. برخی از نورون‌های سمندر با نورون‌های DVR خزندگان مطابقت داشتند، اما برخی از آنها چنین نبود. این نشان می دهد که حداقل بخش هایی از دستگاه DVR از پالیوم یک اجداد مشترک با دوزیستان تکامل یافته است. سلول های بی بدیل در DVR به نظر نوآوری هایی بودند که پس از جدا شدن دودمان دوزیستان و خزندگان ظاهر شدند. بنابراین DVR خزنده ترکیبی از انواع نورون های ارثی و جدید بود.

با این حال، پستانداران داستان متفاوتی بودند. نورون‌های سمندر با هیچ چیز در نئوکورتکس پستانداران مطابقت نداشتند، اگرچه آنها شبیه سلول‌های بخش‌هایی از مغز پستانداران خارج از نئوکورتکس بودند.

علاوه بر این، چندین نوع سلول در نئوکورتکس - به طور خاص، انواع نورون های هرمی که اکثر نورون های ساختار را تشکیل می دهند - با سلول های خزندگان هم مطابقت نداشتند. بنابراین توش و همکارانش پیشنهاد کردند که این نورون‌ها فقط در پستانداران تکامل یافته‌اند. آنها اولین محققینی نیستند که این منشاء را برای سلول ها پیشنهاد می کنند، اما اولین کسانی هستند که با استفاده از وضوح قدرتمند توالی یابی RNA تک سلولی، شواهدی برای آن ارائه کردند.

توش و تیمش پیشنهاد می‌کنند که اساساً تمام نئوکورتکس پستانداران یک نوآوری تکاملی است. بنابراین در حالی که حداقل بخشی از DVR خزندگان از ناحیه مغز یک موجود اجدادی اقتباس شده بود، نئوکورتکس پستانداران به عنوان یک منطقه مغزی جدید با انواع سلول های جدید در حال رشد است. پاسخ آنها به چندین دهه بحث این است که نئوکورتکس پستانداران و DVR خزندگان همولوگ نیستند زیرا منشأ مشترکی ندارند.

گئورگ استریدتریک محقق علوم اعصاب در دانشگاه کالیفرنیا، اروین که به مطالعه عصب‌شناسی مقایسه‌ای و رفتار حیوانات می‌پردازد، این یافته‌ها را هیجان‌انگیز و شگفت‌انگیز خواند. او گفت: «احساس می‌کردم که شواهد بسیار خوبی برای چیزی است که من فقط در مورد آن حدس می‌زدم.

پاسخ جدید تیم توشس به این معنا نیست که نئوکورتکس در پستانداران تکامل یافته است تا بر روی نواحی مسن‌تر مغز قرار گیرد، همانطور که نظریه مغز سه گانه پیشنهاد شده است. در عوض، همانطور که نئوکورتکس گسترش می یابد و انواع جدیدی از نورون های هرمی در آن متولد می شوند، سایر مناطق مغز همگام با آن تکامل می یابند. آنها فقط به عنوان یک "مغز مارمولک" باستانی در زیر آن آویزان نبودند. حتی ممکن است پیچیدگی ظاهر شده در نئوکورتکس سایر مناطق مغز را به تکامل سوق دهد - یا برعکس.

توش و همکارانش اخیراً مدرکی را کشف کردند که نشان می‌دهد مناطق به ظاهر باستانی مغز هنوز در حال تکامل هستند. یک مقاله دوم که در شماره سپتامبر 2022 منتشر شد علم. او با Laurent، مربی فوق دکتری خود، همکاری کرد تا ببیند توالی RNA تک سلولی چه چیزی را می تواند در مورد انواع سلول های جدید و قدیمی در مقایسه مغز مارمولک با مغز موش نشان دهد. ابتدا آن‌ها مجموعه کاملی از انواع سلول‌های عصبی را در هر گونه مقایسه کردند تا انواع مشترک آنها را بیابند، که باید از یک اجداد مشترک منتقل شده باشد. سپس آنها به دنبال انواع سلول های عصبی بودند که بین گونه ها متفاوت بود.

نتایج آنها نشان داد که هر دو نوع سلول عصبی حفظ‌شده و جدید در سرتاسر مغز یافت می‌شوند - نه فقط در نواحی مغز که اخیراً ظاهر شده‌اند. گفته می شود که کل مغز "موزاییکی" از انواع سلول های قدیمی و جدید است جاستوس کبشول، یک عصب شناس تکاملی در دانشگاه جان هاپکینز.

بازاندیشی در تعاریف

با این حال، برخی از دانشمندان می گویند که پایان یافتن این بحث کار چندان آسانی نیست. باربارا فینلییک عصب‌شناس تکاملی در دانشگاه کرنل، فکر می‌کند که هنوز لازم است به نحوه تولید نورون‌ها و نحوه مهاجرت و اتصال آنها در طول تکامل نگاهی بیندازیم، نه فقط مقایسه کنیم که در مغز دوزیستان، خزندگان و پستانداران بالغ به کجا می‌رسند. فینلی فکر می‌کند که اگر این یافته‌ها همه با هم جمع شوند، «فوق‌العاده» خواهد بود. او گفت: «فکر می‌کنم به موقع این کار را خواهیم کرد.

توش خاطرنشان کرد که مغز دوزیستان ممکن است پیچیدگی هایی را که در اجداد مشترک قبلی وجود داشت، از دست داده باشد. توشس برای اطمینان خاطر گفت که محققان باید از توالی یابی RNA تک سلولی بر روی گونه های ماهی استخوانی اولیه یا سایر دوزیستانی که امروزه هنوز زنده هستند استفاده کنند. این آزمایش می‌تواند نشان دهد که آیا هر یک از انواع نورون‌هایی که در پستانداران دیده می‌شود، پیشینیان خود را در حیوانات قبل از دوزیستان داشته‌اند یا خیر.

کار توشس و همکارانش همچنین بحث‌های جدیدی را در مورد اینکه آیا این رشته باید در چیستی قشر مغز و کدام حیوانات دارای قشر مغز تجدیدنظر کند، برانگیخته است. تعریف فعلی می گوید که یک قشر مغز باید دارای لایه های عصبی قابل مشاهده مانند نئوکورتکس یا DVR باشد، اما توشس آن را به عنوان "توشه" باقی مانده از نوروآناتومی سنتی می داند. وقتی تیم او از ابزارهای توالی یابی جدید استفاده کرد، شواهدی از وجود لایه هایی در مغز سمندر نیز پیدا کرد.

توشس گفت: "به نظر من دلیلی وجود ندارد که بگویم سمندرها یا دوزیستان قشر مغز ندارند." در این مرحله، اگر قشر خزندگان را قشر بنامیم، باید سمندر پالیوم را نیز قشر بنامیم.

بابیت فکر می کند که توش یک نکته دارد. بابیت گفت: «این که چگونه این چیزها با مورفولوژی کلاسیک تعریف شدند، احتمالاً فقط بر اساس ابزارهایی که اکنون در اختیار داریم، قابل اجرا نیست.

این سوال مربوط به این است که دانشمندان علوم اعصاب باید در مورد پرندگان چگونه فکر کنند. کارشناسان موافق هستند که پرندگان چشمگیر هستند توانایی های شناختی که می تواند با بسیاری از پستانداران برابری کند یا پیشی بگیرد. از آنجایی که پرندگان از نسل خزندگان هستند، آنها نیز یک دستگاه DVR دارند - اما بنا به دلایلی، نه DVR آنها و نه سایر مناطق مغزی "شبیه قشر" آنها در لایه های واضحی سازماندهی شده اند. به نظر نمی رسد که فقدان لایه های قابل مشاهده مانع از حمایت این مناطق از رفتارها و مهارت های پیچیده نشده باشد. با این وجود، پرندگان هنوز دارای قشر مغز نیستند.

چنین تمرکز قوی روی ظاهر ممکن است دانشمندان را به بیراهه بکشاند. همانطور که داده‌های تک سلولی جدید تیم توشس نشان می‌دهد، استریدتر گفت: «ظاهر می‌تواند فریبنده باشد.