Expressão gênica em neurônios resolve um quebra-cabeça da evolução do cérebro

O neocórtex se destaca como uma conquista impressionante da evolução biológica. Todos os mamíferos têm essa faixa de tecido cobrindo o cérebro, e as seis camadas de neurônios densamente compactados dentro dele lidam com cálculos sofisticados e associações que produzem proezas cognitivas. Como nenhum outro animal além dos mamíferos possui neocórtex, os cientistas se perguntam como uma região tão complexa do cérebro evoluiu.

Os cérebros dos répteis pareciam oferecer uma pista. Os répteis não são apenas os parentes vivos mais próximos dos mamíferos, mas seus cérebros têm uma estrutura de três camadas chamada crista ventricular dorsal, ou DVR, com semelhanças funcionais com o neocórtex. Por mais de 50 anos, alguns neurocientistas evolutivos argumentaram que o neocórtex e o DVR foram ambos derivados de uma característica mais primitiva em um ancestral compartilhado por mamíferos e répteis.

Agora, porém, ao analisar detalhes moleculares invisíveis ao olho humano, os cientistas refutaram essa visão. Ao observar os padrões de expressão gênica em células cerebrais individuais, pesquisadores da Universidade de Columbia mostraram que, apesar das semelhanças anatômicas, o neocórtex em mamíferos e o DVR em répteis não estão relacionados. Em vez disso, os mamíferos parecem ter desenvolvido o neocórtex como uma região cerebral totalmente nova, construída sem deixar vestígios do que veio antes dela. O neocórtex é composto de novos tipos de neurônios que parecem não ter precedentes em animais ancestrais.

O papel descrevendo este trabalho, que foi liderado pelo biólogo evolutivo e desenvolvimentista Maria Antonieta Tosches, foi publicado em setembro passado em Ciência.

Esse processo de inovação evolutiva no cérebro não se limita à criação de novas partes. Outro trabalho de Tosches e seus colegas na mesma edição de Ciência mostraram que mesmo regiões cerebrais aparentemente antigas continuam a evoluir ao serem reconectadas com novos tipos de células. A descoberta de que a expressão gênica pode revelar esses tipos de distinções importantes entre os neurônios também está levando os pesquisadores a repensar como eles definem algumas regiões do cérebro e a reavaliar se alguns animais podem ter cérebros mais complexos do que pensavam.

Genes ativos em neurônios individuais

Na década de 1960, o influente neurocientista Paul MacLean propôs uma ideia sobre a evolução do cérebro que estava errada, mas ainda assim teve um impacto duradouro no campo. Ele sugeriu que os gânglios da base, um agrupamento de estruturas perto da base do cérebro, eram resquícios de um “cérebro de lagarto” que evoluiu em répteis e era responsável pelos instintos e comportamentos de sobrevivência. Quando os primeiros mamíferos evoluíram, eles acrescentaram um sistema límbico para a regulação das emoções acima dos gânglios da base. E quando os humanos e outros mamíferos avançados surgiram, de acordo com MacLean, eles acrescentaram um neocórtex. Como um “boné pensante”, ficava no topo da pilha e transmitia maior cognição.

Este modelo de “cérebro trino” cativou a imaginação do público depois que Carl Sagan escreveu sobre ele em seu livro vencedor do Prêmio Pulitzer de 1977. Os Dragões do Éden. Os neurocientistas evolucionários ficaram menos impressionados. Os estudos logo desmascararam o modelo, mostrando conclusivamente que as regiões do cérebro não evoluem ordenadamente umas sobre as outras. Em vez disso, o cérebro evolui como um todo, com partes mais antigas sofrendo modificações para se adaptar à adição de novas partes, explicou Paulo Cisek, um neurocientista cognitivo da Universidade de Montreal. “Não é como atualizar seu iPhone, onde você carrega um novo aplicativo”, disse ele.

A explicação mais bem suportada para a origem de novas regiões cerebrais é que elas evoluíram principalmente pela duplicação e modificação de estruturas e circuitos neurais preexistentes. Para muitos biólogos evolutivos, como Harvey Karten da Universidade da Califórnia, San Diego, as semelhanças entre o neocórtex mamífero e o DVR reptiliano sugerem que eles são, em termos evolutivos, homólogos – que ambos evoluíram de uma estrutura transmitida por um ancestral compartilhado por mamíferos e répteis.

Mas outros pesquisadores, incluindo Luis Puelles da Universidade de Múrcia, na Espanha, discordou. No desenvolvimento de mamíferos e répteis, eles viram sinais de que o neocórtex e o DVR tomaram forma por meio de processos completamente diferentes. Isso deu a entender que o neocórtex e o DVR evoluíram independentemente. Nesse caso, suas semelhanças nada tinham a ver com homologia: provavelmente eram coincidências ditadas pelas funções e restrições das estruturas.

O debate sobre as origens do neocórtex e do DVR estendeu-se por décadas. Agora, porém, uma técnica desenvolvida recentemente está ajudando a quebrar o impasse. O sequenciamento de RNA de célula única permite que os cientistas leiam quais genes estão sendo transcritos em uma única célula. A partir desses perfis de expressão gênica, os neurocientistas evolutivos podem identificar uma riqueza de diferenças detalhadas entre os neurônios individuais. Eles podem usar essas diferenças para determinar o quão evolutivamente semelhantes são os neurônios.

“A vantagem de observar a expressão genética é que você está traçando o perfil de algo que compara maçãs com maçãs”, disse Trygve Bakken, um neurocientista molecular do Allen Institute for Brain Science. “Quando você compara o gene A em um lagarto com o gene A em um mamífero, sabemos … que são realmente a mesma coisa porque têm uma origem evolutiva compartilhada.”

A técnica está inaugurando uma nova era para a neurociência evolutiva. “Ele nos mostrou novas populações de células que simplesmente não sabíamos que existiam”, disse Courtney Babbitt, especialista em genômica evolutiva da Universidade de Massachusetts, Amherst. “É difícil pesquisar algo que você não sabe que existe.”

Em 2015, avanços no sequenciamento de RNA de célula única aumentaram o número de células para as quais ele poderia ser usado em uma amostra em uma ordem de grandeza. Tosches, que estava apenas começando seu pós-doutorado no laboratório de Gilles Laurent do Instituto Max Planck para Pesquisa do Cérebro na Alemanha, estava animado para usar a técnica para estudar as origens do neocórtex. “Dissemos: 'OK, vamos tentar'”, lembrou ela.

Três anos depois, Tosches e seus colegas publicaram seus primeiros resultados comparando os tipos de células neuronais em tartarugas e lagartos com os de camundongos e humanos. As diferenças na expressão gênica sugeriram que o DVR reptiliano e o neocórtex mamífero evoluíram independentemente de diferentes regiões do cérebro.

“O artigo de 2018 foi realmente um marco, pois foi a primeira caracterização molecular realmente abrangente de tipos neurais entre mamíferos e répteis”, disse Bradley Colquitt, neurocientista molecular da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz.

Mas para realmente confirmar que as duas áreas do cérebro não evoluíram da mesma fonte ancestral, Tosches e sua equipe perceberam que precisavam saber mais sobre como os tipos de células neurais em mamíferos e répteis podem se comparar aos neurônios em um antigo ancestral comum.

Eles decidiram procurar pistas no cérebro de uma salamandra chamada salamandra. (Ele leva o nome de sua capacidade de empurrar as costelas para fora da pele para envenenar e empalar predadores.) Salamandras são anfíbios, que se separaram da linhagem que compartilhavam com mamíferos e répteis cerca de 30 milhões de anos após os primeiros animais de quatro patas. vagaram pela terra milhões de anos antes de os mamíferos e répteis se separarem. Como todos os vertebrados, as salamandras têm uma estrutura chamada pálio que fica perto da frente do cérebro. Se as salamandras tivessem neurônios em seu pálio semelhantes aos neurônios do neocórtex dos mamíferos ou do DVR reptiliano, então esses neurônios devem ter existido em um ancestral antigo compartilhado pelos três grupos de animais.

Recomeçando com o Neocórtex

Em seu artigo de 2022, o laboratório de Tosches realizou sequenciamento de RNA de célula única em milhares de células cerebrais de salamandras e comparou os resultados com dados coletados anteriormente de répteis e mamíferos. Minúsculos cérebros de salamandras, cada um com cerca de um quinquagésimo do volume de um cérebro de camundongo, foram minuciosamente preparados e rotulados pelos pesquisadores. Os cérebros foram então colocados em uma máquina do tamanho de uma caixa de sapatos que preparou todas as amostras para sequenciamento em cerca de 20 minutos. (Tosches observou que, antes das recentes melhorias tecnológicas, levaria um ano.)

Depois que os pesquisadores analisaram os dados de sequenciamento, a resposta para o debate ficou clara. Alguns dos neurônios da salamandra combinavam com os neurônios do DVR reptiliano, mas outros não. Isso sugeriu que pelo menos partes do DVR evoluíram do pálio de um ancestral compartilhado com os anfíbios. As células incomparáveis ​​no DVR pareciam ser inovações que surgiram depois que as linhagens de anfíbios e répteis divergiram. O DVR reptiliano era, portanto, uma mistura de tipos novos e herdados de neurônios.

Mamíferos, no entanto, eram uma história diferente. Os neurônios da salamandra não combinavam com nada no neocórtex dos mamíferos, embora se parecessem com células em partes do cérebro dos mamíferos fora do neocórtex.

Além disso, vários tipos de células no neocórtex – especificamente, os tipos de neurônios piramidais que compõem a maioria dos neurônios na estrutura – também não combinavam com as células dos répteis. Tosches e seus colegas, portanto, sugeriram que esses neurônios evoluíram apenas em mamíferos. Eles não são os primeiros pesquisadores a propor essa origem para as células, mas são os primeiros a produzir evidências usando a poderosa resolução do sequenciamento de RNA de célula única.

Tosches e sua equipe propõem que essencialmente todo o neocórtex dos mamíferos é uma inovação evolutiva. Assim, enquanto pelo menos parte do DVR reptiliano foi adaptado da região cerebral de uma criatura ancestral, o neocórtex mamífero evoluiu como uma nova região cerebral florescente com novos tipos de células. A resposta deles para décadas de debate é que o neocórtex dos mamíferos e o DVR dos répteis não são homólogos porque não têm uma origem comum.

Georg Striedter, um pesquisador de neurociência da Universidade da Califórnia, em Irvine, que estuda neurobiologia comparativa e comportamento animal, elogiou essas descobertas como emocionantes e surpreendentes. “Senti que estava fornecendo evidências realmente boas para algo sobre o qual eu apenas especulava”, disse ele.

A nova resposta da equipe de Tosches não significa que o neocórtex em mamíferos evoluiu para se encaixar perfeitamente em regiões cerebrais mais antigas, como proposto pela teoria do cérebro trino. Em vez disso, à medida que o neocórtex se expandia e novos tipos de neurônios piramidais surgiam dentro dele, outras regiões do cérebro continuavam evoluindo de acordo com ele. Eles não permaneceram apenas como um antigo “cérebro de lagarto” por baixo. É até possível que a complexidade emergente no neocórtex tenha levado outras regiões do cérebro a evoluir – ou vice-versa.

Tosches e seus colegas descobriram recentemente provas de que regiões aparentemente antigas do cérebro ainda estão evoluindo em um segundo papel que apareceu na edição de setembro de 2022 da Ciência. Ela se uniu a Laurent, seu mentor de pós-doutorado, para ver o que o sequenciamento de RNA de uma única célula poderia revelar sobre tipos de células novas e antigas em uma comparação entre o cérebro de um lagarto e o cérebro de um camundongo. Primeiro, eles compararam toda a gama de tipos de células neurais em cada espécie para encontrar aquelas que elas compartilhavam, que devem ter sido transmitidas de um ancestral comum. Em seguida, eles procuraram por tipos de células neurais que diferiam entre as espécies.

Seus resultados mostraram que ambos os tipos de células neurais conservadas e novas são encontradas em todo o cérebro – não apenas nas regiões do cérebro que apareceram mais recentemente. O cérebro inteiro é um “mosaico” de tipos de células novas e antigas, disse Justus Kebschull, um neurocientista evolutivo da Universidade Johns Hopkins.

Repensando as definições

Alguns cientistas, no entanto, dizem que não é tão fácil encerrar o debate. Bárbara Finlay, um neurocientista evolutivo da Cornell University, acredita que ainda é necessário observar como os neurônios são gerados e como eles migram e se conectam durante o desenvolvimento, em vez de apenas comparar onde eles terminam nos cérebros adultos de anfíbios, répteis e mamíferos. Finlay acha que seria “fantástico” se todas essas descobertas pudessem ser reunidas. "Acho que vamos com o tempo", disse ela.

Tosches observou que os cérebros dos anfíbios podem ter perdido alguma complexidade que estava presente em um ancestral comum anterior. Para ter certeza, Tosches disse que os pesquisadores precisarão usar o sequenciamento de RNA de célula única em espécies primitivas de peixes ósseos ou outros anfíbios que ainda estão vivos hoje. Esse experimento poderia revelar se algum dos tipos de neurônios vistos em mamíferos teve predecessores em animais antes dos anfíbios.

O trabalho de Tosches e seus colegas também gerou novas discussões sobre se o campo deveria reconsiderar o que é um córtex cerebral e quais animais o possuem. A definição atual diz que um córtex cerebral deve ter camadas neurais visíveis como o neocórtex ou DVR, mas Tosches considera isso como “bagagem” que sobrou da neuroanatomia tradicional. Quando sua equipe usou as novas ferramentas de sequenciamento, também encontraram evidências de camadas no cérebro da salamandra.

“Não há razão, para mim, para dizer que salamandras ou anfíbios não têm córtex”, disse Tosches. “Neste ponto, se chamarmos o córtex reptiliano de córtex, deveríamos chamar também o pálio da salamandra de córtex.”

Babbitt acha que Tosches tem razão. “Como essas coisas foram definidas com a morfologia clássica provavelmente não vai se sustentar apenas com base nas ferramentas que temos agora”, disse Babbitt.

A questão é como os neurocientistas devem pensar sobre os pássaros. Os especialistas concordam que as aves têm impressionantes habilidades cognitivas que podem igualar ou superar os de muitos mamíferos. Como os pássaros descendem de répteis, eles também têm um DVR – mas, por algum motivo, nem o DVR nem as outras regiões cerebrais “semelhantes ao córtex” são organizadas em camadas óbvias. A ausência de camadas visíveis não parece ter impedido essas regiões de suportar comportamentos e habilidades complexas. No entanto, as aves ainda não são reconhecidas como tendo um córtex.

Um foco tão forte na aparência pode estar levando os cientistas ao erro. Como mostram os novos dados de célula única da equipe de Tosches, “as aparências enganam quando se trata de homologia”, disse Striedter.