Nöronlardaki Gen İfadesi Beyin Evrimi Bulmacasını Çözüyor

Neokorteks, biyolojik evrimin çarpıcı bir başarısı olarak öne çıkıyor. Tüm memelilerin beyinlerini kaplayan bu doku parçası vardır ve beynin içindeki altı yoğun şekilde paketlenmiş nöron katmanı, bilişsel hüner üreten karmaşık hesaplamaları ve çağrışımları yönetir. Memeliler dışında hiçbir hayvanda neokorteks bulunmadığından, bilim adamları bu kadar karmaşık bir beyin bölgesinin nasıl evrimleştiğini merak ettiler.

Sürüngenlerin beyinleri bir ipucu veriyor gibiydi. Sürüngenler, memelilerin yaşayan en yakın akrabaları olmasının yanı sıra, beyinleri, neokorteks ile işlevsel benzerlikleri olan, dorsal ventriküler sırt veya DVR adı verilen üç katmanlı bir yapıya sahiptir. 50 yılı aşkın bir süredir, bazı evrimsel sinirbilimciler, neokorteksin ve DVR'nin, memeliler ve sürüngenler tarafından paylaşılan bir atadaki daha ilkel bir özellikten türetildiğini savundular.

Ancak şimdi bilim adamları, insan gözünün göremediği moleküler detayları analiz ederek bu görüşü çürüttüler. Columbia Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, tek tek beyin hücrelerindeki gen ekspresyon modellerine bakarak, anatomik benzerliklere rağmen, memelilerdeki neokorteks ile sürüngenlerdeki DVR'nin ilgisiz olduğunu gösterdi. Bunun yerine, memeliler neokorteksi tamamen yeni bir beyin bölgesi olarak, kendisinden önce gelenlerden hiçbir iz bırakmadan inşa edilmiş gibi görünüyor. Neokorteks, atasal hayvanlarda emsali yokmuş gibi görünen yeni tip nöronlardan oluşur.

Kağıt evrimsel ve gelişimsel biyolog liderliğindeki bu çalışmayı anlatan Maria Antonietta Tosches, geçen Eylül ayında yayınlandı Bilim.

Beyindeki bu evrimsel yenilik süreci, yeni parçaların yaratılmasıyla sınırlı değildir. Tosches ve meslektaşlarının aynı sayıdaki diğer çalışmaları Bilim eski beyin bölgelerinin bile yeni tip hücrelerle yeniden bağlanarak gelişmeye devam ettiğini gösterdi. Gen ifadesinin nöronlar arasındaki bu tür önemli ayrımları ortaya çıkarabileceğinin keşfi, araştırmacıları bazı beyin bölgelerini nasıl tanımladıklarını yeniden düşünmeye ve bazı hayvanların düşündüklerinden daha karmaşık beyinlere sahip olup olmadıklarını yeniden değerlendirmeye sevk ediyor.

Tek Nöronlardaki Aktif Genler

1960'larda, etkili sinirbilimci Paul MacLean, beynin evrimi hakkında yanlış olan ancak sahada hala kalıcı bir etkisi olan bir fikir öne sürdü. Beynin tabanına yakın bir yapı grubu olan bazal ganglionların, sürüngenlerde evrimleşen ve hayatta kalma içgüdüleri ve davranışlarından sorumlu olan bir "kertenkele beyni"nden kalma olduğunu öne sürdü. Erken memeliler evrimleştiğinde, duyguların düzenlenmesi için bazal ganglionların üzerine bir limbik sistem eklediler. MacLean'a göre insanlar ve diğer gelişmiş memeliler ortaya çıktıklarında bir neokorteks eklediler. Bir "düşünme şapkası" gibi, yığının en üstüne oturdu ve daha yüksek biliş verdi.

Bu "üçlü beyin" modeli, Carl Sagan'ın 1977 Pulitzer Ödüllü kitabında bu konuda yazmasının ardından halkın hayal gücünü büyüledi. Eden'in Ejderhaları. Evrimsel sinirbilimciler daha az etkilendiler. Çalışmalar, beyin bölgelerinin düzgün bir şekilde üst üste gelişmediğini kesin olarak göstererek modeli kısa sürede çürüttü. Bunun yerine, beyin bir bütün olarak gelişir, eski bölümler yeni parçaların eklenmesine uyum sağlamak için değişikliklere uğrar. Paul Çiçek, Montreal Üniversitesi'nde bilişsel bir sinirbilimci. "Yeni bir uygulama yüklediğiniz iPhone'unuzu yükseltmek gibi değil" dedi.

Yeni beyin bölgelerinin kökeni için en iyi desteklenen açıklama, bunların çoğunlukla önceden var olan yapıları ve nöral devreleri kopyalayarak ve değiştirerek evrimleştiğiydi. gibi pek çok evrimci biyoloğa Harvey Karten San Diego'daki California Üniversitesi'nden, memeli neokorteksi ile sürüngen DVR'si arasındaki benzerlikler, bunların evrimsel terimlerle homolog olduklarını - her ikisinin de memeliler ve sürüngenler tarafından paylaşılan bir atadan aktarılan bir yapıdan evrimleştiğini öne sürdü.

Ama diğer araştırmacılar dahil Luis Puelles İspanya'daki Murcia Üniversitesi'nden, aynı fikirde değildi. Memelilerin ve sürüngenlerin gelişiminde, neokorteksin ve DVR'nin tamamen farklı süreçlerle şekillendiğine dair işaretler gördüler. Bu, neokorteks ve DVR'nin bağımsız olarak geliştiğini ima etti. Eğer öyleyse, benzerliklerinin homoloji ile hiçbir ilgisi yoktu: Muhtemelen yapılar üzerindeki işlevlerin ve kısıtlamaların dikte ettiği tesadüflerdi.

Neokorteksin ve DVR'nin kökenleri hakkındaki tartışma on yıllara yayıldı. Ancak şimdi, yakın zamanda geliştirilen bir teknik çıkmazın kırılmasına yardımcı oluyor. Tek hücreli RNA dizilimi, bilim adamlarının tek bir hücrede hangi genlerin kopyalandığını okumasını sağlar. Evrimsel sinirbilimciler, bu gen ifade profillerinden bireysel nöronlar arasındaki çok sayıda ayrıntılı farkı belirleyebilirler. Nöronların evrimsel olarak ne kadar benzer olduğunu belirlemek için bu farklılıkları kullanabilirler.

"Gen ifadesine bakmanın avantajı, elmaları elmalarla karşılaştıran bir şeyin profilini çıkarmanızdır" dedi. Bakken deneyin, Allen Beyin Bilimi Enstitüsü'nde moleküler sinirbilimci. "Bir kertenkeledeki A genini bir memelideki A geniyle karşılaştırdığınızda, bunların gerçekten aynı şey olduğunu, çünkü ortak bir evrimsel kökene sahip olduklarını biliyoruz."

Teknik, evrimsel nörobilim için yeni bir çağ başlatıyor. "[Bize] var olduğunu bilmediğimiz yeni hücre popülasyonları gösterdi" dedi Courtney Babbitt, Amherst, Massachusetts Üniversitesi'nde evrimsel genomik uzmanı. "Varlığından haberdar olmadığınız bir şeyi araştırmak zordur."

2015 yılında, tek hücreli RNA dizilişindeki atılımlar, bir örnekte kullanılabilecek hücre sayısını büyüklük sırasına göre artırdı. Doktora sonrası çalışmasına yeni başlayan Tosches, Gilles Laurent Almanya'daki Max Planck Beyin Araştırmaları Enstitüsü'nden bir araştırmacı, neokorteksin kökenlerini incelemek için tekniği kullanmaktan heyecan duydu. "'Tamam, hadi bir deneyelim' dedik," diye hatırladı.

Üç yıl sonra, Tosches ve meslektaşları ilk sonuçları Kaplumbağalar ve kertenkelelerdeki nöron hücre tiplerinin fareler ve insanlardakilerle karşılaştırılması. Gen ekspresyonundaki farklılıklar, sürüngen DVR'nin ve memeli neokorteksinin beynin farklı bölgelerinden bağımsız olarak evrimleştiğini ileri sürdü.

"2018 makalesi, memeliler ve sürüngenler arasındaki nöral tiplerin gerçekten kapsamlı ilk moleküler karakterizasyonu olması bakımından gerçekten bir dönüm noktasıydı" dedi. Bradley Colquitt, Santa Cruz California Üniversitesi'nde moleküler sinirbilimci.

Ancak iki beyin bölgesinin aynı atasal kaynaktan evrimleşmediğini gerçekten doğrulamak için Tosches ve ekibi, memeliler ve sürüngenlerdeki nöral hücre tiplerinin eski bir ortak atadaki nöronlarla nasıl karşılaştırılabileceği hakkında daha fazla bilgi sahibi olmaları gerektiğini fark ettiler.

Keskin nervürlü semender adı verilen bir semenderin beyninde ipuçları aramaya karar verdiler. (Adını, yırtıcıları zehirlemek ve saplamak için kaburgalarını derisinden dışarı itme yeteneğinden alır.) Semenderler, ilk dört ayaklı hayvanlardan yaklaşık 30 milyon yıl sonra memeliler ve sürüngenlerle paylaştıkları soydan ayrılan amfibilerdir. memeliler ve sürüngenler birbirinden ayrılmadan milyonlarca yıl önce karaya çıktı. Tüm omurgalılar gibi, semenderlerin de beynin ön kısmına yakın bir yerde oturan ve palyum adı verilen bir yapısı vardır. Semenderlerin palyumlarında, memeli neokorteksindeki veya sürüngen DVR'sindeki nöronlara benzeyen nöronlar varsa, o zaman bu nöronlar, üç hayvan grubunun da paylaştığı eski bir atada var olmuş olmalıdır.

Neokorteks İle Yeniden Başlamak

Tosches'in laboratuvarı, 2022 tarihli makalelerinde binlerce semender beyin hücresi üzerinde tek hücreli RNA dizilimi gerçekleştirdi ve sonuçları daha önce sürüngenlerden ve memelilerden toplanan verilerle karşılaştırdı. Her biri bir fare beyninin hacminin yaklaşık ellide biri kadar olan minik semender beyinleri, araştırmacılar tarafından özenle hazırlandı ve etiketlendi. Beyinler daha sonra yaklaşık 20 dakika içinde tüm numuneleri sıralama için hazırlayan yaklaşık bir ayakkabı kutusu büyüklüğünde bir makineye yerleştirildi. (Tosches, son teknolojik gelişmelerden önce bunun bir yıl süreceğini kaydetti.)

Araştırmacılar dizileme verilerini analiz ettikten sonra tartışmanın cevabı netleşti. Semenderdeki bazı nöronlar, sürüngen DVR'deki nöronlarla eşleşti, ancak bazıları eşleşmedi. Bu, DVR'ın en azından bazı bölümlerinin, amfibilerle paylaşılan bir ataya ait palyumdan evrimleştiğini öne sürdü. DVR'deki eşsiz hücreler, amfibi ve sürüngen soylarının ayrılmasından sonra ortaya çıkan yenilikler gibi görünüyordu. Bu nedenle sürüngen DVR, kalıtsal ve yeni nöron türlerinin bir karışımıydı.

Ancak memeliler farklı bir hikayeydi. Semender nöronları, memeli beyninin neokorteks dışındaki bölümlerindeki hücrelere benzemelerine rağmen, memeli neokorteksindeki hiçbir şeyle eşleşmedi.

Dahası, neokorteksteki birkaç hücre türü - özellikle yapıdaki nöronların çoğunu oluşturan piramidal nöron türleri - sürüngenlerdeki hücrelerle de eşleşmedi. Bu nedenle Tosches ve meslektaşları, bu nöronların yalnızca memelilerde evrimleştiğini öne sürdüler. Hücreler için bu kaynağı öneren ilk araştırmacılar değiller, ancak tek hücreli RNA dizilemenin güçlü çözünürlüğünü kullanarak bunun için kanıt üreten ilk araştırmacılar onlar.

Tosches ve ekibi, esasen tüm memeli neokorteksinin evrimsel bir yenilik olduğunu öne sürüyor. Dolayısıyla, sürüngen DVR'nin en azından bir kısmı atasal bir yaratığın beyin bölgesinden uyarlanırken, memeli neokorteksi, yeni hücre tipleriyle filizlenen yeni bir beyin bölgesi olarak gelişti. Onlarca yıldır süren tartışmaya verdikleri yanıt, memeli neokorteksinin ve sürüngen DVR'nin ortak bir kökene sahip olmadıkları için homolog olmadığıdır.

Georg StriedterIrvine'deki California Üniversitesi'nde karşılaştırmalı nörobiyoloji ve hayvan davranışları üzerine çalışan bir nörobilim araştırmacısı olan Dr. "Sadece spekülasyon yaptığım bir şey için gerçekten iyi bir kanıt sağladığını hissettim" dedi.

Tosches'in ekibinden gelen yeni yanıt, memelilerdeki neokorteksin, üçlü beyin teorisinin öne sürdüğü gibi, daha eski beyin bölgelerinin üzerine düzgün bir şekilde oturmak üzere evrimleştiği anlamına gelmiyor. Bunun yerine, neokorteks genişledikçe ve içinde yeni piramidal nöron türleri doğdukça, diğer beyin bölgeleri onunla uyum içinde gelişmeye devam etti. Altında eski bir "kertenkele beyni" olarak asılı kalmadılar. Hatta neokortekste ortaya çıkan karmaşıklığın diğer beyin bölgelerini evrim geçirmeye itmiş olması veya bunun tersi de mümkün.

Tosches ve meslektaşları kısa bir süre önce, görünüşte eski beyin bölgelerinin hala gelişmekte olduğuna dair kanıtları ortaya çıkardılar. ikinci bir makale dergisinin Eylül 2022 sayısında yer alan Bilim. Bir kertenkele beyni ile bir fare beyni karşılaştırmasında, tek hücreli RNA dizilemesinin yeni ve eski hücre türleri hakkında neler ortaya çıkarabileceğini görmek için doktora sonrası akıl hocası Laurent ile birlikte çalıştı. İlk olarak, ortak bir atadan aktarılmış olması gereken, paylaştıklarını bulmak için her bir türdeki tüm nöral hücre tiplerini karşılaştırdılar. Daha sonra türler arasında farklılık gösteren nöral hücre tiplerini aradılar.

Sonuçları, hem korunmuş hem de yeni nöral hücre tiplerinin beynin her yerinde bulunduğunu gösterdi - sadece daha yakın zamanda ortaya çıkan beyin bölgelerinde değil. Tüm beyin, eski ve yeni hücre tiplerinden oluşan bir “mozaik” dedi. Justus KebschullJohns Hopkins Üniversitesi'nde evrimsel bir sinirbilimci.

Tanımları Yeniden Düşünmek

Ancak bazı bilim adamları, tartışmanın sona erdiğini ilan etmenin o kadar kolay olmadığını söylüyor. barbara finlayCornell Üniversitesi'nde evrimsel bir sinirbilimci olan , nöronların yalnızca yetişkin amfibi, sürüngen ve memeli beyinlerinde nereye gittiklerini karşılaştırmak yerine, nöronların nasıl üretildiğine ve gelişim sırasında nasıl göç edip bağlantı kurduklarına bakmanın hala gerekli olduğunu düşünüyor. Finlay, bu bulguların hepsinin bir araya getirilmesinin "müthiş" olacağını düşünüyor. "Zamanla yapacağımızı düşünüyorum," dedi.

Tosches, amfibi beyinlerinin, daha önceki bir ortak atada bulunan karmaşıklığın bir kısmını kaybetmiş olabileceğini belirtti. Kesin olarak bilmek için Tosches, araştırmacıların bugün hala hayatta olan ilkel kemikli balık türleri veya diğer amfibiler üzerinde tek hücreli RNA dizilimi kullanmaları gerektiğini söyledi. Bu deney, memelilerde görülen nöron tiplerinden herhangi birinin amfibilerden önce hayvanlarda ataları olup olmadığını ortaya çıkarabilir.

Tosches ve meslektaşlarının çalışması, alanın beyin korteksinin ne olduğunu ve hangi hayvanlarda bir beyin korteksine sahip olduğunu yeniden düşünmesi gerekip gerekmediği konusunda yeni tartışmalara yol açtı. Mevcut tanım, bir serebral korteksin neokorteks veya DVR gibi görünür nöral katmanlara sahip olması gerektiğini söylüyor, ancak Tosches bunu geleneksel nöroanatomiden kalan "bagaj" olarak görüyor. Ekibi yeni sıralama araçlarını kullandığında, semenderin beyninde de katmanlara dair kanıtlar buldular.

Tosches, "Semenderlerin veya amfibilerin kortekslerinin olmadığını söylemem için hiçbir neden yok" dedi. "Bu noktada sürüngen korteksine korteks dersek, semenderin palyumuna da korteks dememiz gerekir."

Babbitt, Tosches'ın haklı olduğunu düşünüyor. Babbitt, "Bu şeylerin klasik morfoloji ile nasıl tanımlandığı, muhtemelen şu anda sahip olduğumuz araçlara dayanmayacak" dedi.

Soru, sinirbilimcilerin kuşlar hakkında nasıl düşünmeleri gerektiği ile ilgilidir. Uzmanlar, kuşların etkileyici olduğu konusunda hemfikir bilişsel yetenekler bu, birçok memelininkilerle eşleşebilir veya onları geçebilir. Kuşların soyundan sürüngenler geldiği için onların da bir DVR'si vardır - ama nedense ne DVR'leri ne de diğer "korteks benzeri" beyin bölgeleri bariz katmanlar halinde düzenlenmemiştir. Görünür katmanların yokluğu, bu bölgelerin karmaşık davranışları ve becerileri desteklemesini engellemiş gibi görünmüyor. Bununla birlikte, kuşların hala bir korteksleri olduğu kabul edilmiyor.

Görünüşe bu kadar güçlü bir şekilde odaklanmak bilim adamlarını yanlış yönlendirebilir. Striedter, Tosches'in ekibinden elde edilen yeni tek hücreli verilerin gösterdiği gibi, "homoloji söz konusu olduğunda görünüş aldatıcı olabilir" dedi.