Expresia genelor în neuroni rezolvă un puzzle de evoluție a creierului

Neocortexul se remarcă ca o realizare uluitoare a evoluției biologice. Toate mamiferele au această fâșie de țesut care le acoperă creierul, iar cele șase straturi de neuroni dens împachetate din el se ocupă de calculele și asocierile sofisticate care produc pricepere cognitivă. Deoarece niciun animal altul decât mamiferele nu are un neocortex, oamenii de știință s-au întrebat cum a evoluat o regiune atât de complexă a creierului.

Creierul reptilelor părea să ofere un indiciu. Nu numai că reptilele sunt rudele vii cele mai apropiate ale mamiferelor, dar creierul lor are o structură cu trei straturi numită creasta ventriculară dorsală sau DVR, cu asemănări funcționale cu neocortexul. Timp de mai bine de 50 de ani, unii oameni de știință evoluționist au susținut că neocortexul și DVR-ul au fost ambele derivate dintr-o caracteristică mai primitivă a unui strămoș împărtășit de mamifere și reptile.

Acum, însă, analizând detalii moleculare invizibile pentru ochiul uman, oamenii de știință au respins această părere. Privind modelele de expresie a genelor în celulele creierului individuale, cercetătorii de la Universitatea Columbia au arătat că, în ciuda asemănărilor anatomice, neocortexul la mamifere și DVR-ul la reptile nu au legătură. În schimb, mamiferele par să fi evoluat neocortexul ca o regiune a creierului complet nouă, una construită fără urmă a ceea ce a apărut înaintea lui. Neocortexul este compus din noi tipuri de neuroni care par să nu aibă precedent la animalele ancestrale.

Hârtia descriind această lucrare, care a fost condusă de biologul evoluționist și de dezvoltare Maria Antonietta Tosches, a fost publicat în septembrie anul trecut în Ştiinţă.

Acest proces de inovare evolutivă în creier nu se limitează la crearea de noi părți. Alte lucrări de Tosches și colegii ei în același număr de Ştiinţă a arătat că chiar și regiunile aparent străvechi ale creierului continuă să evolueze prin reconectarea cu noi tipuri de celule. Descoperirea că expresia genelor poate dezvălui aceste tipuri de distincții importante între neuroni îi determină, de asemenea, pe cercetători să regândească modul în care definesc unele regiuni ale creierului și să reevalueze dacă unele animale ar putea avea creiere mai complexe decât credeau.

Gene active în neuroni unici

În anii 1960, influentul om de știință Paul MacLean a propus o idee despre evoluția creierului care a fost greșită, dar care a avut totuși un impact de durată asupra domeniului. El a sugerat că ganglionii bazali, o grupare de structuri în apropierea bazei creierului, au fost un rest de la un „creier de șopârlă” care a evoluat la reptile și a fost responsabil pentru instinctele și comportamentele de supraviețuire. Când mamiferele timpurii au evoluat, au adăugat un sistem limbic pentru reglarea emoțiilor deasupra ganglionilor bazali. Și când au apărut oamenii și alte mamifere avansate, potrivit lui MacLean, au adăugat un neocortex. Asemenea unui „cap de gândire”, s-a așezat în partea de sus a stivei și a oferit o cunoaștere mai mare.

Acest model de „creier triun” a captivat imaginația publicului după ce Carl Sagan a scris despre el în cartea sa, câștigătoare a Premiului Pulitzer în 1977. Dragonii Edenului. Oamenii de știință evoluționanți au fost mai puțin impresionați. Studiile au dezmințit în curând modelul, arătând în mod concludent că regiunile creierului nu evoluează perfect una peste alta. În schimb, creierul evoluează ca întreg, părțile mai vechi suferind modificări pentru a se adapta la adăugarea de noi părți, a explicat. Paul Cisek, un neuroștiință cognitiv la Universitatea din Montreal. „Nu este ca și cum ai actualiza iPhone-ul, în care încarci o nouă aplicație”, a spus el.

Cea mai bine susținută explicație pentru originea noilor regiuni ale creierului a fost că acestea au evoluat în principal prin duplicarea și modificarea structurilor și circuitelor neuronale preexistente. Pentru mulţi biologi evoluţionişti, cum ar fi Harvey Karten de la Universitatea din California, San Diego, asemănările dintre neocortexul mamiferelor și DVR-ul reptilian au sugerat că acestea sunt, în termeni evolutivi, omologi - că ambele au evoluat dintr-o structură transmisă dintr-un strămoș împărtășit de mamifere și reptile.

Dar alți cercetători, inclusiv Luis Puelles de la Universitatea din Murcia din Spania, nu a fost de acord. În dezvoltarea mamiferelor și reptilelor, ei au văzut semne că neocortexul și DVR-ul au luat forma prin procese complet diferite. Acest lucru a sugerat că neocortexul și DVR-ul au evoluat independent. Dacă da, asemănările lor nu aveau nimic de-a face cu omologia: probabil erau coincidențe dictate de funcțiile și constrângerile asupra structurilor.

Dezbaterea despre originile neocortexului și DVR-ului s-a întins pe parcursul deceniilor. Acum, însă, o tehnică dezvoltată recent ajută la ruperea impasului. Secvențierea ARN cu o singură celulă permite oamenilor de știință să citească genele care sunt transcrise într-o singură celulă. Din aceste profiluri de expresie genetică, oamenii de știință în evoluție pot identifica o mulțime de diferențe detaliate între neuronii individuali. Ei pot folosi aceste diferențe pentru a determina cât de similari din punct de vedere evolutiv sunt neuronii.

„Avantajul examinării expresiei genelor este că profilați ceva care compară merele cu mere”, a spus Trygve Bakken, un neuroștiință molecular la Institutul Allen pentru Știința Creierului. „Când compari gena A la o șopârlă cu gena A la un mamifer, știm... că acestea sunt într-adevăr același lucru, deoarece au o origine evolutivă comună.”

Tehnica deschide o nouă eră pentru neuroștiința evolutivă. „Ne-a arătat [ne] noi populații de celule despre care pur și simplu nu știam că există”, a spus Courtney Babbitt, expert în genomica evolutivă la Universitatea din Massachusetts, Amherst. „Este greu să cercetezi ceva despre care nu știi că există.”

În 2015, progresele în secvențierea ARN-ului unicelular au crescut numărul de celule pentru care ar putea fi utilizat într-o probă cu un ordin de mărime. Tosches, care atunci tocmai își începea postdoctoratul în laboratorul de Gilles Laurent de la Institutul Max Planck pentru Cercetarea Creierului din Germania, a fost încântat să folosească tehnica pentru a studia originile neocortexului. „Am spus: „OK, hai să încercăm””, și-a amintit ea.

Trei ani mai târziu, Tosches și colegii ei au publicat primele lor rezultate comparând tipurile de celule neuronale de la țestoase și șopârle cu cele de la șoareci și oameni. Diferențele în expresia genelor au sugerat că DVR-ul reptilian și neocortexul mamiferelor au evoluat independent de diferite regiuni ale creierului.

„Lucrarea din 2018 a fost într-adevăr o lucrare de referință prin faptul că a fost prima caracterizare moleculară cu adevărat cuprinzătoare a tipurilor neuronale între mamifere și reptile”, a spus Bradley Colquitt, un neuroștiință molecular la Universitatea din California, Santa Cruz.

Dar pentru a confirma cu adevărat că cele două zone ale creierului nu au evoluat din aceeași sursă ancestrală, Tosches și echipa ei și-au dat seama că trebuie să știe mai multe despre cum se pot compara tipurile de celule neuronale de la mamifere și reptile cu neuronii unui strămoș comun străvechi.

Au decis să caute indicii în creierul unei salamandre numite triton cu nervuri ascuțite. (Își ia numele de la capacitatea sa de a-și împinge coastele prin piele pentru a otrăvi și a trage în țeapă prădătorii.) Salamandrele sunt amfibieni, care s-au despărțit de descendența pe care o împărtășeau cu mamiferele și reptilele la aproximativ 30 de milioane de ani după primele animale cu patru picioare. a rătăcit pe uscat și cu milioane de ani înainte ca mamiferele și reptilele să se despartă unele de altele. La fel ca toate vertebratele, salamandrele au o structură numită pallium care se află lângă partea din față a creierului. Dacă salamandrele aveau neuroni în pallium care erau similari cu neuronii din neocortexul mamiferelor sau DVR-ul reptilian, atunci acei neuroni trebuie să fi existat într-un strămoș străvechi pe care îl împărtășeau toate cele trei grupuri de animale.

Începând de la capăt cu neocortexul

În lucrarea din 2022, laboratorul lui Tosches a efectuat secvențierea ARN-ului unicelular pe mii de celule cerebrale de salamandre și a comparat rezultatele cu datele colectate anterior de la reptile și mamifere. Creierele mici de salamandă, fiecare cu aproximativ o cincizecime din volumul unui creier de șoarece, au fost pregătite și etichetate cu grijă de către cercetători. Creierele au fost apoi puse într-o mașină de dimensiunea unei cutii de pantofi care a pregătit toate mostrele pentru secvențiere în aproximativ 20 de minute. (Tosches a remarcat că înainte de recentele îmbunătățiri tehnologice, ar fi durat un an.)

După ce cercetătorii au analizat datele de secvențiere, răspunsul la dezbatere a devenit clar. Unii dintre neuronii din salamandra se potriveau cu neuronii din DVR-ul reptilian, dar alții nu. Acest lucru a sugerat că cel puțin părți din DVR au evoluat din pallium-ul unui strămoș împărtășit cu amfibieni. Celulele de neegalat din DVR păreau a fi inovații care au apărut după ce filiațiile de amfibieni și reptile s-au separat. DVR-ul reptilian a fost, prin urmare, un amestec de tipuri moștenite și noi de neuroni.

Mamiferele, însă, erau o altă poveste. Neuronii salamandrei nu se potriveau cu nimic în neocortexul mamiferelor, deși seamănă cu celulele din părți ale creierului mamiferelor din afara neocortexului.

Mai mult, mai multe tipuri de celule din neocortex - în special, tipurile de neuroni piramidali care alcătuiesc majoritatea neuronilor din structură - nu se potriveau nici cu celulele reptilelor. Tosches și colegii ei au sugerat, prin urmare, că acești neuroni au evoluat numai la mamifere. Ei nu sunt primii cercetători care au propus această origine pentru celule, dar sunt primii care au produs dovezi pentru aceasta folosind rezoluția puternică a secvențierii ARN-ului unicelular.

Tosches și echipa ei propun că în esență tot neocortexul mamiferelor este o inovație evolutivă. Așadar, în timp ce cel puțin o parte din DVR-ul reptilian a fost adaptată din regiunea creierului unei creaturi ancestrale, neocortexul mamiferelor a evoluat ca o nouă regiune a creierului înfloritoare cu noi tipuri de celule. Răspunsul lor la deceniile de dezbatere este că neocortexul mamiferelor și DVR-ul reptilelor nu sunt omoloage, deoarece nu au o origine comună.

Georg Striedter, un cercetător în neuroștiință de la Universitatea din California, Irvine, care studiază neurobiologia comparativă și comportamentul animal, a salutat aceste descoperiri ca fiind interesante și surprinzătoare. „Am simțit că oferă dovezi foarte bune pentru ceva despre care doar speculasem”, a spus el.

Noul răspuns al echipei lui Tosches nu înseamnă că neocortexul la mamifere a evoluat pentru a se așeza perfect deasupra regiunilor mai vechi ale creierului, așa cum a propus teoria creierului triun. În schimb, pe măsură ce neocortexul s-a extins și s-au născut noi tipuri de neuroni piramidali în el, alte regiuni ale creierului au continuat să evolueze în concordanță cu acesta. Ei nu au rezistat doar ca un vechi „creier de șopârlă” dedesubt. Este chiar posibil ca complexitatea care a apărut în neocortex să fi împins alte regiuni ale creierului să evolueze – sau invers.

Tosches și colegii ei au descoperit recent dovezi că regiunile creierului aparent străvechi încă evoluează în o a doua lucrare care a apărut în numărul din septembrie 2022 al Ştiinţă. Ea a făcut echipă cu Laurent, mentorul ei postdoctoral, pentru a vedea ce secvențierea ARN-ului unicelular ar putea dezvălui despre tipurile de celule noi și vechi, într-o comparație între creierul unei șopârle cu creierul unui șoarece. Mai întâi, au comparat întreaga gamă de tipuri de celule neuronale din fiecare specie pentru a le găsi pe cele pe care le împărtășeau, care trebuie să fi fost transmise de la un strămoș comun. Apoi au căutat tipuri de celule neuronale care diferă între specii.

Rezultatele lor au arătat că atât tipurile de celule neuronale conservate, cât și cele noi se găsesc în tot creierul - nu doar în regiunile creierului care au apărut mai recent. Întregul creier este un „mozaic” de tipuri de celule vechi și noi, a spus Justus Kebschull, un neuroștiință evoluționist la Universitatea Johns Hopkins.

Regândirea definițiilor

Unii oameni de știință, însă, spun că nu este atât de ușor să declari terminată dezbaterea. Barbara Finlay, un neuroștiință evoluționist de la Universitatea Cornell, consideră că este încă necesar să se analizeze modul în care neuronii sunt generați și cum migrează și se conectează în timpul dezvoltării, mai degrabă decât să comparăm doar unde ajung în creierul adulților de amfibieni, reptilieni și mamifere. Finlay crede că ar fi „grozabil” dacă aceste descoperiri ar putea fi reunite. „Cred că vom face în timp”, a spus ea.

Tosches a remarcat că creierul de amfibieni ar fi putut pierde o anumită complexitate care era prezentă la un strămoș comun anterior. Pentru a ști cu siguranță, Tosches a spus că cercetătorii vor trebui să folosească secvențierea ARN-ului unicelular pe specii primitive de pești osoși sau alți amfibieni care sunt încă în viață astăzi. Acest experiment ar putea dezvălui dacă oricare dintre tipurile de neuroni observate la mamifere a avut predecesori la animale înainte de amfibieni.

Lucrarea lui Tosches și a colegilor ei a provocat, de asemenea, noi discuții despre dacă domeniul ar trebui să reconsidere ce este un cortex cerebral și care animale au unul. Definiția actuală spune că un cortex cerebral trebuie să aibă straturi neuronale vizibile, cum ar fi neocortexul sau DVR, dar Tosches consideră că este „bagaj” rămas din neuroanatomia tradițională. Când echipa ei a folosit noile instrumente de secvențiere, au găsit dovezi ale unor straturi în creierul salamandrei.

„Nu există niciun motiv, pentru mine, să spun că salamandrele sau amfibienii nu au cortex”, a spus Tosches. „În acest moment, dacă numim cortexul reptilian cortex, ar trebui să numim și cortexul salamandrei pallium.”

Babbitt crede că Tosches are rost. „Modul în care aceste lucruri au fost definite cu morfologia clasică probabil că nu va rezista doar pe baza instrumentelor pe care le avem acum”, a spus Babbitt.

Întrebarea se referă la modul în care oamenii de știință ar trebui să se gândească la păsări. Experții sunt de acord că păsările au impresionante abilități cognitive care le pot egala sau depăși pe cele ale multor mamifere. Deoarece păsările descind din reptile, și ele au un DVR - dar din anumite motive, nici DVR-ul lor, nici celelalte regiuni ale creierului „asemănătoare cortexului” nu sunt organizate în straturi evidente. Absența straturilor vizibile nu pare să fi împiedicat aceste regiuni să susțină comportamente și abilități complexe. Cu toate acestea, păsările încă nu sunt recunoscute ca având un cortex.

O atenție atât de puternică asupra aspectului ar putea rătăci oamenii de știință. După cum arată noile date cu o singură celulă de la echipa lui Tosches, „aspectele pot fi înșelătoare când vine vorba de omologie”, a spus Striedter.