Izražanje genov v nevronih rešuje uganko evolucije možganov

Neokorteks izstopa kot osupljiv dosežek biološke evolucije. Vsi sesalci imajo ta del tkiva, ki pokriva njihove možgane, in šest plasti gosto zapakiranih nevronov v njem upravlja sofisticirane izračune in asociacije, ki ustvarjajo kognitivno moč. Ker nobena žival razen sesalcev nima neokorteksa, so se znanstveniki spraševali, kako se je razvila tako zapletena možganska regija.

Zdelo se je, da možgani plazilcev ponujajo namig. Ne samo, da so plazilci najbližji živeči sorodniki sesalcev, ampak imajo njihovi možgani triplastno strukturo, imenovano dorzalni ventrikularni greben ali DVR, s funkcionalnimi podobnostmi z neokorteksom. Nekateri evolucijski nevroznanstveniki že več kot 50 let trdijo, da sta neokorteks in DVR oba izpeljana iz bolj primitivne lastnosti prednika, ki si ga delijo sesalci in plazilci.

Zdaj pa so znanstveniki z analizo molekularnih podrobnosti, nevidnih človeškemu očesu, ovrgli to mnenje. Z opazovanjem vzorcev izražanja genov v posameznih možganskih celicah so raziskovalci na univerzi Columbia pokazali, da kljub anatomskim podobnostim neokorteks pri sesalcih in DVR pri plazilcih nista povezana. Namesto tega se zdi, da so sesalci razvili neokorteks kot popolnoma novo možgansko regijo, zgrajeno brez sledi tistega, kar je bilo pred njo. Neokorteks je sestavljen iz novih vrst nevronov, za katere se zdi, da nimajo primerov pri živalih prednikov.

Papir opisuje to delo, ki ga je vodil evolucijski in razvojni biolog Maria Antonietta Tosches, je izšel septembra lani v Znanost.

Ta proces evolucijske inovacije v možganih ni omejen na ustvarjanje novih delov. Drugo delo Tosches in njenih kolegov v isti številki Znanost je pokazalo, da se celo navidezno starodavne možganske regije še naprej razvijajo s preoblikovanjem novih vrst celic. Odkritje, da lahko izražanje genov razkrije te vrste pomembnih razlik med nevroni, raziskovalce tudi spodbudi, da ponovno razmislijo o tem, kako definirajo nekatere možganske regije, in ponovno ocenijo, ali imajo nekatere živali bolj zapletene možgane, kot so mislili.

Aktivni geni v posameznih nevronih

V šestdesetih letih 1960. stoletja je vplivni nevroznanstvenik Paul MacLean predlagal idejo o evoluciji možganov, ki je bila napačna, vendar je imela trajen vpliv na to področje. Predlagal je, da so bazalni gangliji, skupina struktur v bližini možganskega dna, ostanek "kuščarjevih možganov", ki so se razvili pri plazilcih in so bili odgovorni za preživetvene nagone in vedenje. Ko so se zgodnji sesalci razvili, so dodali limbični sistem za uravnavanje čustev nad bazalnimi gangliji. In ko so se pojavili ljudje in drugi napredni sesalci, so po MacLeanu dodali neokorteks. Kot »razmišljujoča kapica« je sedel na vrhu sklada in posredoval višje spoznanje.

Ta model "trojnih možganov" je vzbudil domišljijo javnosti, potem ko je o njem pisal Carl Sagan v svoji knjigi, ki je leta 1977 prejela Pulitzerjevo nagrado Rajski zmaji. Evolucijski nevroznanstveniki so bili manj navdušeni. Študije so model kmalu ovrgle, tako da so dokončno pokazale, da se možganske regije ne razvijajo čisto ena na drugi. Namesto tega se možgani razvijajo kot celota, pri čemer se starejši deli spreminjajo, da se prilagodijo dodajanju novih delov, pojasnjuje Paul Cisek, kognitivni nevroznanstvenik na Univerzi v Montrealu. "To ni tako, kot če bi nadgradili svoj iPhone, kjer naložite novo aplikacijo," je dejal.

Najbolj podprta razlaga za izvor novih možganskih regij je bila, da so se razvile večinoma s podvajanjem in spreminjanjem že obstoječih struktur in nevronskih vezij. Mnogim evolucijskim biologom, kot npr Harvey Karten s kalifornijske univerze v San Diegu so podobnosti med sesalskim neokorteksom in reptilskim DVR nakazale, da sta si v evolucijskem smislu homologna – da sta se oba razvila iz strukture, ki je bila prenesena od prednika, ki si ga delijo sesalci in plazilci.

Toda tudi drugi raziskovalci Luis Puelles Univerze Murcia v Španiji, se ni strinjal. V razvoju sesalcev in plazilcev so videli znake, da sta se neokorteks in DVR oblikovala skozi popolnoma drugačna procesa. To je namigovalo, da sta se neokorteks in DVR razvila neodvisno. Če je tako, njihove podobnosti niso imele nobene zveze s homologijo: verjetno so bile naključja, ki so jih narekovale funkcije in omejitve struktur.

Razprava o izvoru neokorteksa in DVR je trajala desetletja. Zdaj pa nedavno razvita tehnika pomaga prekiniti zastoj. Sekvenciranje RNA v eni celici omogoča znanstvenikom, da preberejo, kateri geni se prepisujejo v eni celici. Iz teh profilov izražanja genov lahko evolucijski nevroznanstveniki identificirajo množico podrobnih razlik med posameznimi nevroni. Te razlike lahko uporabijo, da ugotovijo, kako evolucijsko podobni so si nevroni.

"Prednost opazovanja izražanja genov je, da profilirate nekaj, kar primerja jabolka z jabolki," je dejal Trygve Bakken, molekularni nevroznanstvenik na Allen Institute for Brain Science. "Ko primerjate gen A pri kuščarju z genom A pri sesalcu, vemo ... da sta to res ista stvar, ker imata skupen evolucijski izvor."

Tehnika uvaja novo dobo za evolucijsko nevroznanost. "Pokazal [nam] je nove celične populacije, za katere preprosto nismo vedeli, da obstajajo," je dejal Courtney Babbitt, strokovnjak za evolucijsko genomiko na univerzi Massachusetts, Amherst. "Težko je raziskati nekaj, za kar ne veš, da obstaja."

Leta 2015 so preboji v sekvenciranju enocelične RNK povečali število celic, za katere se lahko uporabi v vzorcu, za red velikosti. Tosches, ki je takrat ravno začenjala postdoktorski študij v laboratoriju Gilles Laurent z Inštituta Max Planck za raziskave možganov v Nemčiji, je bil navdušen nad uporabo tehnike za preučevanje izvora neokorteksa. »Rekli smo, 'V redu, poskusimo,'« se je spominjala.

Tri leta kasneje so Tosches in njeni kolegi objavili njihove prve rezultate primerjava vrst nevronskih celic pri želvah in kuščarjih s tistimi pri miših in ljudeh. Razlike v izražanju genov so pokazale, da sta se reptilski DVR in sesalski neokorteks razvila neodvisno iz različnih predelov možganov.

"Dokument iz leta 2018 je bil res prelomni dokument, saj je bil to prva resnično celovita molekularna karakterizacija nevronskih vrst med sesalci in plazilci," je dejal. Bradley Colquitt, molekularni nevroznanstvenik na kalifornijski univerzi v Santa Cruzu.

Toda da bi resnično potrdili, da se dve možganski področji nista razvili iz istega izvora prednikov, sta Tosches in njena ekipa ugotovila, da morata vedeti več o tem, kako bi se tipi živčnih celic pri sesalcih in plazilcih lahko primerjali z nevroni starodavnega skupnega prednika.

Odločili so se, da bodo namige poiskali v možganih močerada, imenovanega ostrorebri triton. (Ime je dobil po sposobnosti, da potisne svoja rebra skozi kožo, da zastrupi in nabode plenilce.) Salamanderji so dvoživke, ki so se ločile od rodu, ki so ga delili s sesalci in plazilci, približno 30 milijonov let po prvih štirinožcih. priplaval na kopno in milijone let, preden so se sesalci in plazilci ločili drug od drugega. Kot vsi vretenčarji imajo tudi salamandri strukturo, imenovano palij, ki sedi blizu sprednjega dela možganov. Če so imeli salamandri nevrone v svojem paliju, ki so bili podobni nevronom v sesalskem neokorteksu ali reptilskem DVR, potem so morali ti nevroni obstajati v starodavnem predniku, ki so si ga delile vse tri skupine živali.

Začetek znova z neokorteksom

V svojem dokumentu iz leta 2022 je Toschesov laboratorij izvedel enocelično sekvenciranje RNK na tisoče možganskih celic močeradrov in primerjal rezultate s podatki, ki so bili predhodno zbrani od plazilcev in sesalcev. Raziskovalci so skrbno pripravili in označili majhne možgane salamandra, vsak približno petdesetino prostornine mišjih možganov. Možgane so nato dali v stroj, velik približno kot škatla za čevlje, ki je v približno 20 minutah pripravil vse vzorce za sekvenciranje. (Tosches je opozoril, da bi pred nedavnimi tehnološkimi izboljšavami trajalo eno leto.)

Potem ko so raziskovalci analizirali podatke o zaporedju, je odgovor na razpravo postal jasen. Nekateri nevroni v salamandru so se ujemali z nevroni v reptilskem DVR-ju, nekateri pa ne. To je nakazovalo, da so se vsaj deli DVR razvili iz palija prednika, ki si ga delijo z dvoživkami. Zdelo se je, da so neusklajene celice v DVR inovacije, ki so se pojavile po ločitvi rodov dvoživk in plazilcev. Reptilski DVR je bil torej mešanica podedovanih in novih vrst nevronov.

Sesalci pa so bili druga zgodba. Nevroni salamandra se niso ujemali z ničemer v neokorteksu sesalcev, čeprav so bili podobni celicam v delih možganov sesalcev zunaj neokorteksa.

Poleg tega se več vrst celic v neokorteksu - natančneje tipi piramidnih nevronov, ki sestavljajo večino nevronov v strukturi - prav tako niso ujemali s celicami v plazilcih. Tosches in njeni kolegi so zato predlagali, da so se ti nevroni razvili izključno pri sesalcih. Niso prvi raziskovalci, ki so predlagali ta izvor za celice, vendar so prvi, ki so predložili dokaze za to z uporabo močne ločljivosti enoceličnega sekvenciranja RNK.

Tosches in njena ekipa predlagata, da je v bistvu ves neokorteks pri sesalcih evolucijska inovacija. Torej, medtem ko je bil vsaj del reptilskega DVR prilagojen iz možganske regije prednikov, se je sesalski neokorteks razvil kot nova možganska regija, ki se razvija z novimi tipi celic. Njihov odgovor na desetletja razprav je, da sesalski neokorteks in DVR plazilcev nista homologna, ker nimata skupnega izvora.

Georg Striedter, raziskovalec nevroznanosti na kalifornijski univerzi Irvine, ki proučuje primerjalno nevrobiologijo in vedenje živali, je te ugotovitve označil za vznemirljive in presenetljive. "Počutil sem se, kot da je res dober dokaz za nekaj, o čemer sem samo špekuliral," je dejal.

Nov odgovor Toschesove ekipe ne pomeni, da se je neokorteks pri sesalcih razvil tako, da je lepo sedel na vrhu starejših možganskih regij, kot je predlagala teorija trojnih možganov. Namesto tega, ko se je neokorteks razširil in so se v njem rodile nove vrste piramidalnih nevronov, so se druge možganske regije razvijale skladno z njim. Niso le ostali kot starodavni "kuščarski možgani" spodaj. Možno je celo, da je kompleksnost, ki se pojavi v neokorteksu, spodbudila druge možganske regije k razvoju - ali obratno.

Tosches in njeni kolegi so pred kratkim odkrili dokaz, da se na videz starodavne možganske regije še vedno razvijajo drugi papir ki se je pojavil v številki septembra 2022 Znanost. Povezala se je z Laurentom, svojim postdoc mentorjem, da bi ugotovila, kaj bi lahko razkrilo sekvenciranje enocelične RNA o novih in starih tipih celic v primerjavi možganov kuščarja z možgani miši. Najprej so primerjali celotno paleto tipov živčnih celic v vsaki vrsti, da bi našli tiste, ki so si jih delili in ki so morale biti prenesene od skupnega prednika. Nato so iskali tipe živčnih celic, ki se med vrstami razlikujejo.

Njihovi rezultati so pokazali, da tako ohranjene kot nove tipe živčnih celic najdemo po vseh možganih - ne samo v možganskih regijah, ki so se pojavile pred kratkim. Pravijo, da so celotni možgani "mozaik" starih in novih tipov celic Justus Kebschull, evolucijski nevroznanstvenik na univerzi Johns Hopkins.

Ponovno razmišljanje o definicijah

Nekateri znanstveniki pa pravijo, da razprave ni tako enostavno razglasiti za konec. Barbara Finlay, evolucijski nevroznanstvenik z Univerze Cornell, meni, da je še vedno treba pogledati, kako nevroni nastajajo in kako migrirajo ter se med razvojem povezujejo, namesto da bi le primerjali, kje končajo v možganih odraslih dvoživk, plazilcev in sesalcev. Finlay meni, da bi bilo "super", če bi lahko vse te ugotovitve združili. "Mislim, da bomo pravočasno," je rekla.

Tosches je ugotovil, da bi lahko možgani dvoživk izgubili nekaj kompleksnosti, ki je bila prisotna pri prejšnjem skupnem predniku. Da bi vedeli zagotovo, je Tosches dejal, da bodo morali raziskovalci uporabiti enocelično zaporedje RNA na primitivnih koščenih vrstah rib ali drugih dvoživkah, ki so še danes žive. Ta poskus bi lahko razkril, ali je katera od vrst nevronov, opaženih pri sesalcih, imela predhodnike pri živalih pred dvoživkami.

Delo Tosches in njenih kolegov je prav tako spodbudilo nove razprave o tem, ali bi moralo področje ponovno razmisliti o tem, kaj je možganska skorja in katere živali jo imajo. Trenutna definicija pravi, da mora imeti možganska skorja vidne nevronske plasti, kot je neokorteks ali DVR, vendar Tosches to obravnava kot "prtljago", ki je ostala od tradicionalne nevroanatomije. Ko je njena ekipa uporabila nova orodja za določanje zaporedja, je našla tudi dokaze o plasteh v možganih močerada.

"Zame ni razloga, da bi rekel, da salamanderji ali dvoživke nimajo korteksa," je dejal Tosches. "Na tej točki, če imenujemo plazilsko skorjo korteks, bi morali tudi salamanderjev palij imenovati skorja."

Babbitt meni, da ima Tosches prav. "Kako so bile te stvari definirane s klasično morfologijo, verjetno ne bo zdržalo samo na podlagi orodij, ki jih imamo zdaj," je dejal Babbitt.

Vprašanje se nanaša na to, kako naj nevroznanstveniki razmišljajo o pticah. Strokovnjaki se strinjajo, da imajo ptice impresivno kognitivne sposobnosti ki se lahko kosajo ali presežejo tiste mnogih sesalcev. Ker ptice izvirajo iz plazilcev, imajo tudi one DVR - vendar iz nekega razloga niti njihov DVR niti drugi "skorji podobni" možganski predeli niso organizirani v očitne plasti. Zdi se, da odsotnost vidnih plasti teh območij ni preprečila podpiranja kompleksnega vedenja in veščin. Kljub temu pticam še vedno ni znano, da imajo skorjo.

Tako močna osredotočenost na videz bi znanstvenike lahko zavedla. Kot kažejo novi enocelični podatki Toschesove ekipe, "je videz lahko zavajajoč, ko gre za homologijo," je dejal Striedter.