Vad gör moderna människor unika? Jämförelser med våra närmaste släktingar, neandertalarna, ger därför fascinerande insikter. En av huvudförklaringarna till utvecklingen av mänsklig kognition tros ha varit ökningen av hjärnans storlek och neuronproduktion under hjärnans utveckling.
Neandertalarnas hjärnor var lika stora som moderna människor men skilde sig i form. Vad vi inte kan säga från fossiler är hur neandertalarnas hjärnor kan ha skiljt sig åt i funktion eller organisation av hjärnskikt, som neocortex.
Forskare från Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG) i Dresden har nu analyserat effekten av en enda aminosyraförändring i det transketolasliknande 1 (TKTL1) proteinet på produktionen av basal radiell glia, arbetshästarna som genererar mycket av neocortex . De fann att den moderna mänskliga varianten av proteinet TKTL1, som skiljer sig med endast en enda aminosyra från neandertalvarianten, ökar en typ av hjärnfaderceller, kallade basala radiella glia, i den moderna mänsklig hjärna.
Huvuddelen av neuronerna i den växande neocortex, ett område i hjärnan som är nödvändigt för många kognitiva funktioner, produceras av basala radiella gliaceller. Forskare drar slutsatsen att denna enda humanspecifika aminosyrasubstitution i TKTL1 ligger till grund för en högre neuronproduktion i den framväxande frontalloben av neocortex hos moderna människor än hos neandertalare eftersom TKTL1-aktiviteten är särskilt hög i frontalloben i den mänskliga fostrets hjärna.
Den senaste studien av Wieland Huttners forskargrupp, en av grundarna för Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG) i Dresden, genomfördes i samarbete med Svante Pääbo, direktör vid Max Planck Institutet. för evolutionär antropologi i Leipzig, och Pauline Wimberger vid universitetssjukhuset i Dresden och deras kollegor.
Forskare fokuserade främst på: proteinet transketolas-liknande 1 (TKTL1). Hos moderna människor innehåller TKTL1 ett arginin vid sekvenspositionen i fråga, medan Neandertal TKTL1 innehåller den relaterade aminosyran lysin. I fostrets humana neocortex finns TKTL1 i neokortikala progenitorceller, cellerna från vilka alla kortikala neuroner härrör. Noterbart är nivån av TKTL1 högst i progenitorcellerna i frontalloben.
Forskare undersökte betydelsen av denna förändring av en aminosyra för neocortex-utvecklingen. De introducerade antingen den moderna människan eller den neandertaliska varianten av TKTL1 i neocortex hos musembryon.
De observerade att basala radiella gliaceller, den typ av neokortikala progenitors som tros vara drivkraften för en större hjärna, ökade med den moderna mänskliga varianten av TKTL1 men inte med Neandertalvarianten. Följaktligen innehöll hjärnan hos musembryon med den moderna mänskliga TKTL1 fler neuroner.
Forskarna tittade därefter på hur betydande dessa effekter var för tillväxten av den mänskliga hjärnan. För att uppnå detta använde de mänskliga hjärnans organoider— Miniatyrorganliknande strukturer som kan odlas från mänskliga stamceller i cellodlingsrätter i labbet och som efterliknar aspekter av tidig utveckling av mänsklig hjärna — för att byta ut arginin i modern mänsklig TKTL1 mot lysin som är karakteristisk för Neandertal TKTL1.
Anneline Pinson sa, "Vi fann att med aminosyran av Neandertal-typen i TKTL1 producerades färre basala radiella gliaceller än med den moderna mänskliga typen och som en konsekvens också färre neuroner. Detta visar oss att även om vi inte vet hur många neuroner neandertalhjärnan hade, så kan vi anta att moderna människor har fler neuroner i hjärnans frontallob, där TKTL1-aktiviteten är högst än neandertalarna."
Forskare fann också att modern mänsklig TKTL1 verkar genom metabolismförändringar, vilket specifikt stimulerar pentosfosfatvägen följt av ökad fettsyrasyntes. På detta sätt tros modern mänsklig TKTL1 öka syntesen av specifika membranlipider som behövs för att generera den långa processen av basala radiella gliaceller som stimulerar deras proliferation och därför ökar neuronproduktionen.
Wieland Huttner, som övervakade studien, sa: "Denna studie antyder att produktionen av nervceller i neocortex under fosterutvecklingen är större hos moderna människor än den var hos neandertalarna, särskilt i frontalloben. Det är frestande att spekulera i att detta främjade moderna mänskliga kognitiva förmågor förknippade med frontalloben."
Tidskriftsreferens:
- Anneline Pinson, Lei Xing, Takashi Namba, Nereo Kalebic, Jula Peters, et al. Human TKTL1 innebär större neurogenes i frontal neocortex hos moderna människor än neandertalare", Vetenskap. 09 september 2022 DOI: 10.1126/science.abl6422
