Hva gjør moderne mennesker unike? Sammenligninger med våre nærmeste slektninger, neandertalerne, gir derfor fascinerende innsikt. En av hovedforklaringene på utviklingen av menneskelig kognisjon antas å ha vært økningen i hjernestørrelse og nevronproduksjon gjennom hjernens utvikling.
Neandertalerhjerner var like i størrelse som moderne mennesker, men var forskjellige i form. Det vi ikke kan fortelle fra fossiler er hvordan neandertalerhjerner kan ha forskjellig i funksjon eller organisering av hjernelag, for eksempel neocortex.
Forskere fra Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG) i Dresden har nå analysert effekten av en enkelt aminosyreendring i det transketolase-lignende 1 (TKTL1) proteinet på produksjonen av basal radial glia, arbeidshestene som genererer mye av neocortex . De fant at den moderne menneskelige varianten av proteinet TKTL1, som bare skiller seg med en enkelt aminosyre fra Neandertal-varianten, øker en type hjernestamceller, kalt basal radial glia, i den moderne Menneskehjerne.
Hoveddelen av nevronene i den voksende neocortex, et område av hjernen som er essensielt for mange kognitive funksjoner, produseres av basale radiale gliaceller. Forskere konkluderer med at denne enkelt menneskespesifikke aminosyresubstitusjonen i TKTL1 ligger til grunn for en høyere nevronproduksjon i den utviklende frontallappen til neocortex hos moderne mennesker enn hos neandertalere fordi TKTL1-aktiviteten er spesielt høy i frontallappen til den menneskelige fosterhjernen.
Den siste studien av forskningsgruppen til Wieland Huttner, en av grunnleggerne av Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG) i Dresden, ble utført i samarbeid med Svante Pääbo, direktør ved Max Planck Institute for evolusjonsantropologi i Leipzig, og Pauline Wimberger ved universitetssykehuset Dresden og deres kolleger.
Forskere fokuserte hovedsakelig på: proteinet transketolase-lignende 1 (TKTL1). Hos moderne mennesker inneholder TKTL1 et arginin i den aktuelle sekvensposisjonen, mens Neandertal TKTL1 inneholder den relaterte aminosyren lysin. I føtal human neocortex finnes TKTL1 i neokortikale stamceller, cellene som alle kortikale nevroner stammer fra. Spesielt er nivået av TKTL1 høyest i progenitorcellene i frontallappen.
Forskere undersøkte betydningen av denne ene aminosyreendringen for utviklingen av neocortex. De introduserte enten den moderne menneskelige eller Neandertal-varianten av TKTL1 i neocortex av museembryoer.
De observerte at basale radiale gliaceller, typen neokortikale stamceller som antas å være drivkraften for en større hjerne, økte med den moderne menneskelige varianten av TKTL1, men ikke med Neandertal-varianten. Følgelig inneholdt hjernen til museembryoer med det moderne menneskelige TKTL1 flere nevroner.
Forskerne så deretter på hvor betydelige disse effektene var for vekst av den menneskelige hjerne. For å oppnå dette brukte de menneskelige hjerneorganoider- miniatyrorganlignende strukturer som kan dyrkes fra menneskelige stamceller i cellekulturskåler i laboratoriet og som etterligner aspekter ved tidlig menneskelig hjerneutvikling - for å bytte ut argininen i moderne menneskelig TKTL1 med lysin som er karakteristisk for Neandertal TKTL1.
Anneline Pinson sa: "Vi fant at med Neandertal-typen av aminosyre i TKTL1 ble det produsert færre basale radiale gliaceller enn med den moderne mennesketypen og som en konsekvens også færre nevroner. Dette viser oss at selv om vi ikke vet hvor mange nevroner neandertalerhjernen hadde, kan vi anta at moderne mennesker har flere nevroner i hjernens frontallappen, der TKTL1-aktiviteten er høyest enn neandertaleren.»
Forskere fant også at moderne menneskelig TKTL1 virker gjennom metabolismeendringer, og stimulerer spesifikt pentosefosfatbanen etterfulgt av økt fettsyresyntese. På denne måten antas moderne menneskelig TKTL1 å øke syntesen av spesifikke membranlipider som trengs for å generere den lange prosessen med basale radiale gliaceller som stimulerer deres spredning og derfor øker nevronproduksjonen.
Wieland Huttner, som overvåket studien, sa: "Denne studien antyder at produksjonen av nevroner i neocortex under fosterutvikling er større hos moderne mennesker enn den var hos neandertalere, spesielt i frontallappen. Det er fristende å spekulere i at dette fremmet moderne menneskelige kognitive evner assosiert med frontallappen.»
Tidsreferanse:
- Anneline Pinson, Lei Xing, Takashi Namba, Nereo Kalebic, Jula Peters, et al. Menneskelig TKTL1 innebærer større nevrogenese i frontal neocortex hos moderne mennesker enn neandertalere", Vitenskap. 09. september 2022 DOI: 10.1126/science.abl6422
