Genexpressie in neuronen lost een hersenevolutiepuzzel op

De neocortex valt op als een verbluffende prestatie van biologische evolutie. Alle zoogdieren hebben deze strook weefsel die hun hersenen bedekt, en de zes lagen van dicht opeengepakte neuronen erin behandelen de geavanceerde berekeningen en associaties die cognitief vermogen produceren. Aangezien geen andere dieren dan zoogdieren een neocortex hebben, hebben wetenschappers zich afgevraagd hoe zo'n complex hersengebied is geëvolueerd.

De hersenen van reptielen leken een aanwijzing te bieden. Reptielen zijn niet alleen de naaste levende verwanten van zoogdieren, maar hun hersenen hebben een drielaagse structuur die een dorsale ventriculaire richel of DVR wordt genoemd, met functionele overeenkomsten met de neocortex. Al meer dan 50 jaar hebben sommige evolutionaire neurowetenschappers betoogd dat de neocortex en de DVR beide zijn afgeleid van een meer primitief kenmerk in een voorouder die wordt gedeeld door zoogdieren en reptielen.

Door nu echter moleculaire details te analyseren die onzichtbaar zijn voor het menselijk oog, hebben wetenschappers die mening weerlegd. Door te kijken naar patronen van genexpressie in individuele hersencellen, toonden onderzoekers van Columbia University aan dat ondanks de anatomische overeenkomsten de neocortex bij zoogdieren en de DVR bij reptielen geen verband houden. In plaats daarvan lijken zoogdieren de neocortex te hebben ontwikkeld als een geheel nieuw hersengebied, een gebouwd zonder een spoor van wat ervoor kwam. De neocortex is samengesteld uit nieuwe soorten neuronen die geen precedent lijken te hebben in voorouderlijke dieren.

Het papier beschrijft dit werk, dat werd geleid door de evolutie- en ontwikkelingsbioloog Maria Antonietta Tosches, werd afgelopen september gepubliceerd in Wetenschap.

Dit proces van evolutionaire innovatie in de hersenen beperkt zich niet tot het creëren van nieuwe onderdelen. Ander werk van Tosches en haar collega's in hetzelfde nummer van Wetenschap toonde aan dat zelfs ogenschijnlijk oude hersengebieden blijven evolueren door opnieuw te worden bedraad met nieuwe soorten cellen. De ontdekking dat genexpressie dit soort belangrijke verschillen tussen neuronen kan onthullen, zet onderzoekers er ook toe aan om opnieuw na te denken over hoe ze sommige hersengebieden definiëren en om opnieuw te beoordelen of sommige dieren misschien complexere hersenen hebben dan ze dachten.

Actieve genen in enkele neuronen

In de jaren zestig stelde de invloedrijke neurowetenschapper Paul MacLean een idee voor over de evolutie van de hersenen dat verkeerd was maar toch een blijvende impact had op het veld. Hij suggereerde dat de basale ganglia, een groep structuren nabij de basis van de hersenen, een overblijfsel waren van een "hagedissenbrein" dat zich ontwikkelde in reptielen en verantwoordelijk was voor overlevingsinstincten en gedragingen. Toen vroege zoogdieren evolueerden, voegden ze een limbisch systeem toe voor de regulering van emoties boven de basale ganglia. En toen mensen en andere geavanceerde zoogdieren ontstonden, voegden ze volgens MacLean een neocortex toe. Als een 'denkkap' zat het bovenaan de stapel en zorgde het voor een hogere cognitie.

Dit 'drieënige brein'-model sprak tot de verbeelding van het publiek nadat Carl Sagan erover schreef in zijn Pulitzer Prize-winnende boek uit 1977 De draken van Eden. Evolutionaire neurowetenschappers waren minder onder de indruk. Studies ontkrachtten het model al snel door onomstotelijk aan te tonen dat hersengebieden niet netjes op elkaar evolueren. In plaats daarvan evolueert het brein als een geheel, waarbij oudere delen aanpassingen ondergaan om zich aan te passen aan de toevoeging van nieuwe delen, uitgelegd Paul Cisek, een cognitief neurowetenschapper aan de Universiteit van Montreal. "Het is niet zoals het upgraden van je iPhone, waarbij je een nieuwe app laadt", zei hij.

De best ondersteunde verklaring voor de oorsprong van nieuwe hersengebieden was dat ze voornamelijk evolueerden door reeds bestaande structuren en neurale circuits te dupliceren en aan te passen. Voor veel evolutiebiologen, zoals Harvey Karten van de Universiteit van Californië, San Diego, suggereerden de overeenkomsten tussen de neocortex van zoogdieren en de DVR van reptielen dat ze, in evolutionaire termen, homoloog zijn - dat ze allebei zijn geëvolueerd uit een structuur die is doorgegeven van een voorouder die wordt gedeeld door zoogdieren en reptielen.

Maar andere onderzoekers, waaronder Luis Puelles van de Universiteit van Murcia in Spanje, was het daar niet mee eens. Bij de ontwikkeling van zoogdieren en reptielen zagen ze tekenen dat de neocortex en de DVR via totaal verschillende processen vorm kregen. Dit liet doorschemeren dat de neocortex en DVR onafhankelijk van elkaar evolueerden. Als dat zo is, hadden hun overeenkomsten niets te maken met homologie: het waren waarschijnlijk toevalligheden die werden gedicteerd door de functies en beperkingen van de structuren.

Het debat over de oorsprong van de neocortex en DVR strekte zich uit over tientallen jaren. Nu helpt een recent ontwikkelde techniek echter om de patstelling te doorbreken. Single-cell RNA-sequencing stelt wetenschappers in staat om uit te lezen welke genen in een enkele cel worden getranscribeerd. Uit deze genexpressieprofielen kunnen evolutionaire neurowetenschappers een schat aan gedetailleerde verschillen tussen individuele neuronen identificeren. Ze kunnen die verschillen gebruiken om te bepalen hoe evolutionair vergelijkbaar de neuronen zijn.

"Het voordeel van kijken naar genexpressie is dat je iets profileert dat appels met appels vergelijkt," zei Trygve Bakken, een moleculair neurowetenschapper aan het Allen Institute for Brain Science. "Als je gen A in een hagedis vergelijkt met gen A in een zoogdier, weten we... dat die eigenlijk hetzelfde zijn omdat ze een gedeelde evolutionaire oorsprong hebben."

De techniek luidt een nieuw tijdperk in voor de evolutionaire neurowetenschap. "Het heeft [ons] nieuwe celpopulaties laten zien waarvan we gewoon niet wisten dat ze bestonden", zei Courtney Babbitt, een expert in evolutionaire genomica aan de Universiteit van Massachusetts, Amherst. "Het is moeilijk om iets te onderzoeken waarvan je niet weet dat het bestaat."

In 2015 hebben doorbraken in single-cell RNA-sequencing het aantal cellen waarvoor het in een monster kan worden gebruikt met een orde van grootte vergroot. Tosches, die toen net begon aan haar postdoc in het lab van Gilles Laurent van het Max Planck Instituut voor Hersenonderzoek in Duitsland, was enthousiast om de techniek te gebruiken om de oorsprong van de neocortex te bestuderen. "We zeiden: 'Oké, laten we het eens proberen'", herinnert ze zich.

Drie jaar later publiceerden Tosches en haar collega's hun eerste resultaten het vergelijken van de neuronceltypen in schildpadden en hagedissen met die in muizen en mensen. De verschillen in genexpressie suggereerden dat de reptielen-DVR en de neocortex van zoogdieren onafhankelijk van verschillende delen van de hersenen evolueerden.

"Het artikel uit 2018 was echt een baanbrekend artikel omdat het de eerste echt uitgebreide moleculaire karakterisering was van neurale typen tussen zoogdieren en reptielen," zei Bradley Colquitt, een moleculair neurowetenschapper aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz.

Maar om echt te bevestigen dat de twee hersengebieden niet uit dezelfde voorouderlijke bron zijn geëvolueerd, beseften Tosches en haar team dat ze meer moesten weten over hoe de neurale celtypen in zoogdieren en reptielen zich zouden kunnen verhouden tot de neuronen in een oude gemeenschappelijke voorouder.

Ze besloten om naar aanwijzingen te zoeken in de hersenen van een salamander genaamd de scherpgeribbelde salamander. (Het ontleent zijn naam aan zijn vermogen om zijn ribben door zijn huid naar buiten te duwen om roofdieren te vergiftigen en te spietsen.) Salamanders zijn amfibieën, die zich ongeveer 30 miljoen jaar na de eerste vierpotige dieren afsplitsten van de lijn die ze deelden met zoogdieren en reptielen dwaalde het land op en miljoenen jaren voordat de zoogdieren en reptielen zich van elkaar splitsten. Zoals alle gewervelde dieren hebben salamanders een structuur die een pallium wordt genoemd en die zich aan de voorkant van de hersenen bevindt. Als salamanders neuronen in hun pallium hadden die vergelijkbaar waren met neuronen in de neocortex van zoogdieren of de DVR van reptielen, dan moeten die neuronen hebben bestaan ​​in een oude voorouder die alle drie groepen dieren deelden.

Opnieuw beginnen met de Neocortex

In hun paper uit 2022 voerde het laboratorium van Tosches eencellige RNA-sequencing uit op duizenden salamanderhersencellen en vergeleek de resultaten met eerder verzamelde gegevens van reptielen en zoogdieren. Kleine salamanderhersenen, elk ongeveer een vijftigste van het volume van een muizenbrein, werden nauwgezet voorbereid en geëtiketteerd door de onderzoekers. De hersenen werden vervolgens in een machine geplaatst ter grootte van een schoenendoos die alle monsters klaarmaakte voor sequentiëring in ongeveer 20 minuten. (Tosches merkte op dat het vóór de recente technologische verbeteringen een jaar zou hebben geduurd.)

Nadat de onderzoekers de sequencinggegevens hadden geanalyseerd, werd het antwoord op het debat duidelijk. Sommige neuronen in de salamander kwamen overeen met neuronen in de reptielen-DVR, maar andere niet. Dit suggereerde dat ten minste delen van de DVR zijn voortgekomen uit het pallium van een voorouder die wordt gedeeld met amfibieën. De ongeëvenaarde cellen in de DVR leken innovaties te zijn die verschenen nadat de afstammingslijnen van amfibieën en reptielen uiteenliepen. De reptielen DVR was daarom een ​​mix van overgeërfde en nieuwe soorten neuronen.

Zoogdieren waren echter een ander verhaal. Salamander-neuronen kwamen met niets overeen in de neocortex van zoogdieren, hoewel ze wel leken op cellen in delen van de hersenen van zoogdieren buiten de neocortex.

Bovendien kwamen verschillende soorten cellen in de neocortex - met name de soorten piramidale neuronen die de meerderheid van de neuronen in de structuur vormen - ook niet overeen met cellen in de reptielen. Tosches en haar collega's suggereerden daarom dat deze neuronen uitsluitend in zoogdieren zijn geëvolueerd. Ze zijn niet de eerste onderzoekers die die oorsprong voor de cellen voorstellen, maar ze zijn de eersten die er bewijs voor leveren met behulp van de krachtige resolutie van eencellige RNA-sequencing.

Tosches en haar team stellen dat in wezen de gehele neocortex van zoogdieren een evolutionaire innovatie is. Dus terwijl ten minste een deel van de reptielen-DVR werd aangepast vanuit het hersengebied van een voorouderlijk wezen, evolueerde de neocortex van zoogdieren als een nieuw hersengebied dat ontluikt met nieuwe celtypen. Hun antwoord op de decennialange discussie is dat de neocortex van zoogdieren en de DVR van reptielen niet homoloog zijn omdat ze geen gemeenschappelijke oorsprong hebben.

Georg Striedter, een neurowetenschappelijk onderzoeker aan de University of California, Irvine die vergelijkende neurobiologie en diergedrag bestudeert, prees deze bevindingen als opwindend en verrassend. "Ik had het gevoel dat het echt goed bewijs leverde voor iets waarover ik alleen maar had gespeculeerd", zei hij.

Het nieuwe antwoord van het team van Tosches betekent niet dat de neocortex bij zoogdieren is geëvolueerd om netjes bovenop oudere hersengebieden te zitten, zoals de drieënige hersentheorie voorstelde. Terwijl de neocortex zich uitbreidde en er nieuwe typen piramidale neuronen in werden geboren, bleven andere hersengebieden mee evolueren. Ze bleven niet alleen hangen als een oud "hagedissenbrein" eronder. Het is zelfs mogelijk dat de complexiteit die opkwam in de neocortex andere hersengebieden ertoe aanzette om te evolueren - of vice versa.

Tosches en haar collega's hebben onlangs bewijs gevonden dat ogenschijnlijk oude hersengebieden nog steeds evolueren een tweede krant dat verscheen in het septembernummer van 2022 Wetenschap. Ze werkte samen met Laurent, haar postdoc-mentor, om te zien wat single-cell RNA-sequencing zou kunnen onthullen over nieuwe en oude celtypen in een vergelijking van de hersenen van een hagedis met die van een muis. Eerst vergeleken ze de volledige reeks neurale celtypen in elke soort om de soorten te vinden die ze deelden, die moeten zijn doorgegeven van een gemeenschappelijke voorouder. Vervolgens zochten ze naar neurale celtypen die verschilden tussen de soorten.

Hun resultaten toonden aan dat zowel geconserveerde als nieuwe neurale celtypen overal in de hersenen worden aangetroffen - niet alleen in de hersengebieden die recenter zijn verschenen. Het hele brein is een 'mozaïek' van oude en nieuwe celtypen, zei hij Justus Kebschüll, een evolutionaire neurowetenschapper aan de Johns Hopkins University.

Definities heroverwegen

Sommige wetenschappers zeggen echter dat het niet zo eenvoudig is om het debat voor beëindigd te verklaren. Barbara Finlay, een evolutionair neurowetenschapper aan de Cornell University, denkt dat het nog steeds nodig is om te kijken naar hoe neuronen worden gegenereerd en hoe ze migreren en zich verbinden tijdens de ontwikkeling, in plaats van alleen te vergelijken waar ze terechtkomen in de hersenen van volwassen amfibieën, reptielen en zoogdieren. Finlay denkt dat het "geweldig" zou zijn als die bevindingen allemaal bij elkaar zouden kunnen worden gebracht. "Ik denk dat we dat op tijd zullen doen," zei ze.

Tosches merkte op dat de hersenen van amfibieën mogelijk wat complexiteit hebben verloren die aanwezig was in een eerdere gemeenschappelijke voorouder. Om het zeker te weten, zei Tosches dat onderzoekers eencellige RNA-sequencing zullen moeten gebruiken op primitieve beenvissoorten of andere amfibieën die nog steeds in leven zijn. Dat experiment zou kunnen onthullen of een van de soorten neuronen die bij zoogdieren worden gezien, voorgangers had bij dieren vóór amfibieën.

Het werk van Tosches en haar collega's heeft ook geleid tot nieuwe discussies over de vraag of het veld moet heroverwegen wat een hersenschors is en welke dieren er een hebben. De huidige definitie zegt dat een hersenschors zichtbare neurale lagen moet hebben, zoals de neocortex of DVR, maar Tosches beschouwt dat als "bagage" die overblijft van de traditionele neuroanatomie. Toen haar team de nieuwe sequencing-tools gebruikte, vonden ze ook bewijs van lagen in de hersenen van de salamander.

"Er is voor mij geen reden om te zeggen dat salamanders of amfibieën geen cortex hebben," zei Tosches. "Als we op dit punt de reptielencortex een cortex noemen, zouden we ook de salamander pallium een ​​cortex moeten noemen."

Babbitt vindt dat Tosches een punt heeft. "Hoe deze dingen werden gedefinieerd met klassieke morfologie, zal waarschijnlijk niet standhouden, alleen op basis van de tools die we nu hebben," zei Babbitt.

De vraag gaat over hoe neurowetenschappers over vogels zouden moeten denken. Deskundigen zijn het erover eens dat vogels indrukwekkend zijn cognitieve vaardigheden die die van veel zoogdieren kan evenaren of overtreffen. Omdat vogels afstammen van reptielen, hebben ook zij een DVR - maar om de een of andere reden zijn noch hun DVR, noch hun andere "cortex-achtige" hersengebieden georganiseerd in voor de hand liggende lagen. De afwezigheid van zichtbare lagen lijkt deze regio's er niet van te hebben weerhouden complexe gedragingen en vaardigheden te ondersteunen. Desalniettemin wordt nog steeds niet herkend dat vogels een cortex hebben.

Zo'n sterke focus op uiterlijk zou wetenschappers op een dwaalspoor kunnen brengen. Zoals de nieuwe eencellige gegevens van het team van Tosches laten zien, "schijn bedriegt als het gaat om homologie," zei Striedter.