Ekspresja genów w neuronach rozwiązuje zagadkę ewolucji mózgu

Kora nowa wyróżnia się jako oszałamiające osiągnięcie ewolucji biologicznej. Wszystkie ssaki mają ten pas tkanki pokrywający mózg, a sześć warstw gęsto upakowanych neuronów w jego obrębie obsługuje wyrafinowane obliczenia i skojarzenia, które zapewniają sprawność poznawczą. Ponieważ żadne zwierzęta poza ssakami nie mają kory nowej, naukowcy zastanawiali się, jak wyewoluował tak złożony obszar mózgu.

Mózgi gadów wydawały się dawać wskazówkę. Gady są nie tylko najbliższymi żyjącymi krewnymi ssaków, ale ich mózgi mają trójwarstwową strukturę zwaną grzbietowym grzbietem komorowym lub DVR, z funkcjonalnymi podobieństwami do kory nowej. Przez ponad 50 lat niektórzy neuronaukowcy zajmujący się ewolucją twierdzili, że zarówno kora nowa, jak i DVR wywodzą się z bardziej prymitywnej cechy przodka ssaków i gadów.

Teraz jednak, analizując szczegóły molekularne niewidoczne dla ludzkiego oka, naukowcy obalili ten pogląd. Przyglądając się wzorcom ekspresji genów w poszczególnych komórkach mózgowych, naukowcy z Columbia University wykazali, że pomimo podobieństw anatomicznych kora nowa u ssaków i DVR u gadów nie są ze sobą powiązane. Zamiast tego wydaje się, że ssaki wyewoluowały korę nową jako całkowicie nowy obszar mózgu, zbudowany bez śladu tego, co było przed nim. Kora nowa składa się z nowych typów neuronów, które wydają się nie mieć precedensu u przodków zwierząt.

Papier opisujący tę pracę, którą prowadził biolog ewolucyjny i rozwojowy Marii Antonietty Tosches, ukazał się we wrześniu ubiegłego roku w r nauka.

Ten proces ewolucyjnej innowacji w mózgu nie ogranicza się do tworzenia nowych części. Inne prace Tosches i jej współpracowników w tym samym numerze nauka wykazało, że nawet pozornie starożytne regiony mózgu nadal ewoluują poprzez przebudowywanie nowych typów komórek. Odkrycie, że ekspresja genów może ujawnić tego rodzaju ważne różnice między neuronami, skłania naukowców do ponownego przemyślenia sposobu definiowania niektórych obszarów mózgu i do ponownej oceny, czy niektóre zwierzęta mogą mieć bardziej złożone mózgi, niż sądzili.

Aktywne geny w pojedynczych neuronach

W latach sześćdziesiątych wpływowy neuronaukowiec Paul MacLean zaproponował koncepcję ewolucji mózgu, która była błędna, ale nadal miała trwały wpływ na dziedzinę. Zasugerował, że zwoje podstawy mózgu, grupa struktur w pobliżu podstawy mózgu, były pozostałością po „mózgu jaszczurki”, który wyewoluował u gadów i był odpowiedzialny za instynkty przetrwania i zachowania. Kiedy wczesne ssaki ewoluowały, dodały układ limbiczny do regulacji emocji powyżej zwojów podstawy. A kiedy pojawili się ludzie i inne zaawansowane ssaki, według MacLeana, dodali korę nową. Niczym „myśląca czapka” znajdowała się na szczycie stosu i zapewniała wyższe poznanie.

Ten model „trójjedynego mózgu” zawładnął wyobraźnią opinii publicznej po tym, jak Carl Sagan napisał o nim w swojej nagrodzonej Pulitzerem książce z 1977 r. Smoki Edenu. Neurobiolodzy ewolucyjni byli pod mniejszym wrażeniem. Badania wkrótce obaliły ten model, wykazując ostatecznie, że regiony mózgu nie rozwijają się równomiernie jeden na drugim. Zamiast tego mózg ewoluuje jako całość, a starsze części podlegają modyfikacjom, aby dostosować się do dodania nowych części, wyjaśnił Paweł Cisek, neurolog kognitywny z Uniwersytetu w Montrealu. „To nie jest tak, jak aktualizowanie iPhone'a, gdzie ładujesz nową aplikację” – powiedział.

Najlepiej udokumentowanym wyjaśnieniem pochodzenia nowych regionów mózgu było to, że ewoluowały one głównie poprzez powielanie i modyfikowanie istniejących wcześniej struktur i obwodów nerwowych. Dla wielu biologów ewolucyjnych, jak np Harveya Kartena z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego podobieństwa między korą nową ssaków a DVR gadów sugerowały, że są one w kategoriach ewolucyjnych homologiczne — że oba wyewoluowały ze struktury przekazanej od przodka, który był wspólny dla ssaków i gadów.

Ale inni badacze, w tym Luisa Puellesa z Uniwersytetu w Murcji w Hiszpanii, nie zgodził się. W rozwoju ssaków i gadów dostrzegli oznaki, że kora nowa i DVR ukształtowały się w wyniku zupełnie innych procesów. To sugerowało, że kora nowa i DVR ewoluowały niezależnie. Jeśli tak, to ich podobieństwa nie miały nic wspólnego z homologią: były to prawdopodobnie zbiegi okoliczności podyktowane funkcjami i ograniczeniami struktur.

Debata na temat pochodzenia kory nowej i DVR trwała przez dziesięciolecia. Teraz jednak niedawno opracowana technika pomaga przełamać impas. Sekwencjonowanie RNA pojedynczych komórek umożliwia naukowcom odczytanie, które geny są transkrybowane w pojedynczej komórce. Na podstawie tych profili ekspresji genów neuronaukowcy zajmujący się ewolucją mogą zidentyfikować bogactwo szczegółowych różnic między poszczególnymi neuronami. Mogą wykorzystać te różnice do określenia, jak ewolucyjnie podobne są neurony.

„Zaletą patrzenia na ekspresję genów jest to, że profilujesz coś, co porównuje jabłka do jabłek” – powiedział Trygve Bakken, neurobiolog molekularny z Allen Institute for Brain Science. „Kiedy porównamy gen A u jaszczurki z genem A u ssaka, wiemy… że to naprawdę to samo, ponieważ mają wspólne pochodzenie ewolucyjne”.

Technika ta zapoczątkowuje nową erę neuronauki ewolucyjnej. „Pokazał [nam] nowe populacje komórek, o których istnieniu po prostu nie wiedzieliśmy” – powiedział Courtney Babbitt, ekspert w dziedzinie genomiki ewolucyjnej na Uniwersytecie Massachusetts w Amherst. „Trudno jest badać coś, o czym nie wiesz, że istnieje”.

W 2015 r. przełom w sekwencjonowaniu RNA pojedynczych komórek zwiększył liczbę komórek, do których można je wykorzystać w próbce, o rząd wielkości. Tosches, która wtedy właśnie rozpoczynała swój postdoc w laboratorium Gillesa Laurenta z Max Planck Institute for Brain Research w Niemczech, był podekscytowany możliwością zastosowania tej techniki do badania pochodzenia kory nowej. „Powiedzieliśmy:„ OK, spróbujmy ”- wspomina.

Trzy lata później Tosches i jej współpracownicy opublikowali ich pierwsze wyniki porównując typy komórek neuronowych u żółwi i jaszczurek z komórkami u myszy i ludzi. Różnice w ekspresji genów sugerowały, że DVR gadów i kora nowa ssaków wyewoluowały niezależnie z różnych regionów mózgu.

„Artykuł z 2018 roku był naprawdę przełomowy, ponieważ był pierwszą naprawdę kompleksową charakterystyką molekularną typów neuronów między ssakami i gadami” – powiedział Bradleya Colquitta, neurobiolog molekularny z University of California w Santa Cruz.

Jednak aby naprawdę potwierdzić, że te dwa obszary mózgu nie wyewoluowały z tego samego przodka, Tosches i jej zespół zdali sobie sprawę, że muszą wiedzieć więcej o tym, jak typy komórek nerwowych u ssaków i gadów mogą się porównywać z neuronami u starożytnego wspólnego przodka.

Postanowili poszukać wskazówek w mózgu salamandry zwanej traszką ostrożebrową. (Swoją nazwę zawdzięcza zdolności do wypychania żeber przez skórę w celu zatrucia i przebicia drapieżników). Salamandry to płazy, które oddzieliły się od linii, którą dzieliły ze ssakami i gadami, około 30 milionów lat po pierwszych czworonożnych zwierzętach wędrował po lądzie i miliony lat przed rozdzieleniem się ssaków i gadów. Podobnie jak wszystkie kręgowce, salamandry mają strukturę zwaną paliuszem, która znajduje się w pobliżu przedniej części mózgu. Jeśli salamandry miały neurony w paliuszu, które były podobne do neuronów w korze nowej ssaków lub DVR gadów, to te neurony musiały istnieć u starożytnego przodka, który był wspólny dla wszystkich trzech grup zwierząt.

Zaczynanie od nowa z korą nową

W swoim artykule z 2022 r. laboratorium Toschesa przeprowadziło sekwencjonowanie jednokomórkowego RNA na tysiącach komórek mózgowych salamandry i porównało wyniki z danymi zebranymi wcześniej od gadów i ssaków. Maleńkie mózgi salamandry, każdy o objętości około jednej pięćdziesiątej mózgu myszy, zostały skrupulatnie przygotowane i oznaczone przez naukowców. Mózgi umieszczono następnie w maszynie wielkości pudełka po butach, która przygotowała wszystkie próbki do sekwencjonowania w około 20 minut. (Tosches zauważył, że przed ostatnimi ulepszeniami technologicznymi zajęłoby to rok.)

Po tym, jak naukowcy przeanalizowali dane sekwencjonowania, odpowiedź na debatę stała się jasna. Niektóre neurony salamandry pasowały do ​​neuronów w reptilian DVR, ale niektóre nie. Sugerowało to, że przynajmniej części DVR wyewoluowały z paliusza przodka wspólnego z płazami. Niezrównane komórki w DVR wydawały się być innowacjami, które pojawiły się po rozejściu linii płazów i gadów. Gadzi DVR był zatem mieszanką odziedziczonych i nowych typów neuronów.

Ssaki to jednak inna bajka. Neurony salamandry nie pasowały do ​​niczego w korze nowej ssaków, chociaż przypominały komórki w częściach mózgu ssaków poza korą nową.

Co więcej, kilka rodzajów komórek w korze nowej – w szczególności typy neuronów piramidalnych, które tworzą większość neuronów w strukturze – również nie pasowało do komórek gadów. Tosches i jej współpracownicy zasugerowali zatem, że te neurony wyewoluowały wyłącznie u ssaków. Nie są pierwszymi badaczami, którzy zaproponowali to pochodzenie komórek, ale jako pierwsi przedstawili na to dowody, wykorzystując potężną rozdzielczość sekwencjonowania RNA pojedynczych komórek.

Tosches i jej zespół proponują, że zasadniczo cała kora nowa ssaków jest innowacją ewolucyjną. Tak więc, podczas gdy przynajmniej część gadziego DVR została zaadaptowana z obszaru mózgu przodków, kora nowa ssaków wyewoluowała jako nowy region mózgu, w którym pojawiły się nowe typy komórek. Ich odpowiedzią na dziesięciolecia debaty jest to, że kora nowa ssaków i DVR gadów nie są homologiczne, ponieważ nie mają wspólnego pochodzenia.

Georga Striedtera, neurobiolog z University of California, Irvine, który bada porównawczą neurobiologię i zachowanie zwierząt, uznał te odkrycia za ekscytujące i zaskakujące. „Czułem, że dostarczył naprawdę dobrych dowodów na coś, o czym tylko spekulowałem” – powiedział.

Nowa odpowiedź zespołu Toschesa nie oznacza, że ​​kora nowa u ssaków ewoluowała tak, by siedzieć równo na starszych obszarach mózgu, jak proponowała teoria trójjednego mózgu. Zamiast tego, w miarę jak kora nowa się rozszerzała i narodziły się w niej nowe typy neuronów piramidalnych, inne obszary mózgu ewoluowały wraz z nią. Nie tylko trzymali się pod spodem jako starożytny „mózg jaszczurki”. Jest nawet możliwe, że złożoność pojawiająca się w korze nowej popchnęła inne obszary mózgu do ewolucji — lub odwrotnie.

Tosches i jej współpracownicy niedawno odkryli dowód na to, że pozornie starożytne regiony mózgu wciąż ewoluują drugi artykuł który ukazał się we wrześniowym numerze 2022 nauka. Połączyła siły z Laurentem, jej mentorem podoktorskim, aby zobaczyć, co sekwencjonowanie RNA pojedynczej komórki może ujawnić na temat nowych i starych typów komórek w porównaniu mózgu jaszczurki z mózgiem myszy. Najpierw porównali pełną gamę typów komórek nerwowych u każdego gatunku, aby znaleźć te wspólne, które musiały zostać przekazane przez wspólnego przodka. Następnie szukali typów komórek nerwowych, które różniły się między gatunkami.

Ich wyniki pokazały, że zarówno konserwatywne, jak i nowe typy komórek nerwowych znajdują się w całym mózgu – nie tylko w obszarach mózgu, które pojawiły się niedawno. Cały mózg jest „mozaiką” starych i nowych typów komórek, powiedział Justusa Kebschulla, neurobiolog ewolucyjny z Johns Hopkins University.

Przemyślenie definicji

Niektórzy naukowcy twierdzą jednak, że nie jest łatwo zakończyć debatę. Barbary Finlay, neurobiolog ewolucyjny z Cornell University, uważa, że ​​nadal konieczne jest przyjrzenie się, w jaki sposób neurony są generowane oraz jak migrują i łączą się podczas rozwoju, zamiast tylko porównywać, gdzie kończą w mózgach dorosłych płazów, gadów i ssaków. Finlay uważa, że ​​byłoby „wspaniale”, gdyby udało się zebrać wszystkie te odkrycia. – Myślę, że zdążymy – powiedziała.

Tosches zauważył, że mózgi płazów mogły utracić pewną złożoność, która była obecna u wcześniejszego wspólnego przodka. Aby mieć pewność, Tosches powiedział, że naukowcy będą musieli zastosować sekwencjonowanie jednokomórkowego RNA prymitywnych gatunków ryb kostnoszkieletowych lub innych płazów, które wciąż żyją. Ten eksperyment może ujawnić, czy którykolwiek z typów neuronów obserwowanych u ssaków miał poprzedników u zwierząt przed płazami.

Praca Tosches i jej współpracowników wywołała również nowe dyskusje na temat tego, czy w tej dziedzinie należy ponownie rozważyć, czym jest kora mózgowa i które zwierzęta ją mają. Obecna definicja mówi, że kora mózgowa musi mieć widoczne warstwy nerwowe, takie jak kora nowa lub DVR, ale Tosches uważa to za „bagaż” pozostały po tradycyjnej neuroanatomii. Kiedy jej zespół użył nowych narzędzi do sekwencjonowania, znalazł również ślady warstw w mózgu salamandry.

„Nie ma dla mnie powodu, by twierdzić, że salamandry lub płazy nie mają kory” – powiedział Tosches. „W tym momencie, jeśli nazwiemy korę gadów korą, powinniśmy również nazwać korą pallium salamandry”.

Babbitt uważa, że ​​Tosches ma rację. „Sposób, w jaki te rzeczy zostały zdefiniowane za pomocą klasycznej morfologii, prawdopodobnie po prostu nie utrzyma się w oparciu o narzędzia, które mamy teraz” – powiedział Babbitt.

Pytanie dotyczy tego, jak neuronaukowcy powinni myśleć o ptakach. Eksperci są zgodni, że ptaki mają imponujące zdolności poznawcze które mogą dorównać lub przewyższyć cechy wielu ssaków. Ponieważ ptaki wywodzą się od gadów, one również mają DVR – ale z jakiegoś powodu ani ich DVR, ani inne „podobne do kory” obszary mózgu nie są zorganizowane w oczywiste warstwy. Wydaje się, że brak widocznych warstw nie powstrzymał tych regionów przed wspieraniem złożonych zachowań i umiejętności. Niemniej jednak ptaki nadal nie są uznawane za posiadające korę mózgową.

Tak silne skupienie się na wyglądzie może sprowadzić naukowców na manowce. Jak pokazują nowe dane pojedynczej komórki zespołu Toschesa, „wygląd może mylić, jeśli chodzi o homologię” – powiedział Striedter.