Експресія генів у нейронах вирішує головоломку еволюції мозку

Неокортекс виділяється як приголомшливе досягнення біологічної еволюції. У всіх ссавців цей смуга тканини покриває їхній мозок, і шість шарів щільно упакованих нейронів у ньому обробляють складні обчислення та асоціації, які забезпечують когнітивну майстерність. Оскільки жодна тварина, окрім ссавців, не має неокортексу, вчені задавалися питанням, як така складна область мозку еволюціонувала.

Здавалося, мозок рептилій дає підказку. Рептилії не тільки є найближчими живими родичами ссавців, але їхній мозок має тришарову структуру, яка називається дорсальним вентрикулярним гребнем, або DVR, функціонально подібною до неокортексу. Понад 50 років деякі еволюційні нейробіологи стверджували, що неокортекс і DVR були похідними від більш примітивної особливості предка, спільного для ссавців і рептилій.

Однак тепер, аналізуючи молекулярні деталі, невидимі для людського ока, вчені спростували цю точку зору. Розглядаючи моделі експресії генів в окремих клітинах мозку, дослідники з Колумбійського університету показали, що, незважаючи на анатомічну схожість, неокортекс у ссавців і DVR у рептилій не пов’язані. Натомість ссавці, схоже, розвинули неокортекс як абсолютно нову область мозку, побудовану без сліду того, що було до неї. Неокортекс складається з нових типів нейронів, які, здається, не мали прецедентів у тварин-предків.

Папір описуючи цю роботу, якою керував біолог еволюції та розвитку Марія Антонієтта Тошес, було опубліковано у вересні минулого року в наука.

Цей процес еволюційних інновацій у мозку не обмежується створенням нових частин. Інша робота Тошес та її колег у тому ж випуску наука показали, що навіть, здавалося б, стародавні ділянки мозку продовжують еволюціонувати, поповнюючись новими типами клітин. Відкриття того, що експресія генів може виявити такі важливі відмінності між нейронами, також спонукає дослідників переглянути те, як вони визначають деякі ділянки мозку, і переоцінити, чи можуть деякі тварини мати більш складний мозок, ніж вони думали.

Активні гени в окремих нейронах

Ще в 1960-х роках впливовий нейробіолог Пол Маклін запропонував ідею про еволюцію мозку, яка була хибною, але мала тривалий вплив на цю сферу. Він припустив, що базальні ганглії, група структур біля основи мозку, є пережитком «мозку ящірки», який еволюціонував у рептилій і відповідає за інстинкти виживання та поведінку. Коли ранні ссавці еволюціонували, вони додали лімбічну систему для регуляції емоцій над базальними гангліями. А коли з’явилися люди та інші розвинені ссавці, за словами Макліна, вони додали неокортекс. Подібно до «мислячої кришки», він сидів у верхній частині стека й надавав вищі знання.

Ця модель «триєдиного мозку» захопила уяву громадськості після того, як Карл Саган написав про це у своїй книзі, яка отримала Пулітцерівську премію 1977 року. Дракони Едему. Еволюційні нейробіологи були менш вражені. Дослідження незабаром розвінчали цю модель, остаточно показавши, що ділянки мозку не еволюціонують акуратно одна над одною. Натомість мозок розвивається як ціле, а старі частини зазнають модифікацій, щоб адаптуватися до додавання нових частин, пояснюється Павло Цісек, когнітивний нейробіолог з Монреальського університету. «Це не те, що оновити свій iPhone, де ви завантажуєте нову програму», — сказав він.

Найкраще підтверджене пояснення походження нових ділянок мозку полягало в тому, що вони еволюціонували в основному шляхом дублювання та модифікації вже існуючих структур і нейронних ланцюгів. Для багатьох еволюційних біологів, таких як Харві Картен Університету Каліфорнії в Сан-Дієго, схожість між неокортексом ссавців і DVR рептилій свідчить про те, що вони, з точки зору еволюції, є гомологічними — що вони обидва еволюціонували зі структури, що передалася від предка, спільного для ссавців і рептилій.

Але інші дослідники, в т.ч Луїс Пуеллес Університету Мурсії в Іспанії, не погодився. У розвитку ссавців і рептилій вони побачили ознаки того, що неокортекс і DVR сформувалися в результаті абсолютно різних процесів. Це натякало на те, що неокортекс і DVR еволюціонували незалежно. Якщо так, то їх схожість не мала нічого спільного з гомологією: вони, ймовірно, були збігами, продиктованими функціями та обмеженнями структур.

Дебати про походження неокортексу та DVR тривали десятиліттями. Однак тепер нещодавно розроблена техніка допомагає вийти з глухого кута. Секвенування РНК однієї клітини дозволяє вченим зчитувати, які гени транскрибуються в одній клітині. З цих профілів експресії генів еволюційні нейробіологи можуть ідентифікувати безліч детальних відмінностей між окремими нейронами. Вони можуть використовувати ці відмінності, щоб визначити, наскільки еволюційно схожі нейрони.

«Перевага вивчення експресії генів полягає в тому, що ви профілюєте те, що порівнює яблука з яблуками», — сказав Тригве Баккен, молекулярний нейробіолог з Інституту науки про мозок Аллена. «Коли ви порівнюєте ген А в ящірці з геном А в ссавцях, ми знаємо, що це насправді те саме, оскільки вони мають спільне еволюційне походження».

Цей метод відкриває нову еру еволюційної нейронауки. «Це показало [нам] нові популяції клітин, про існування яких ми просто не знали», — сказав Кортні Беббіт, експерт з еволюційної геноміки в Массачусетському університеті, Амгерст. «Важко досліджувати те, про існування чого ти не знаєш».

У 2015 році прорив у секвенуванні одноклітинної РНК на порядок збільшив кількість клітин, які можна було використовувати для зразка. Тошес, яка тоді тільки починала свою постдокторську роботу в лабораторії Жиль Лоран з Інституту дослідження мозку Макса Планка в Німеччині, був із захопленням використати цю техніку для вивчення походження неокортексу. «Ми сказали: «Добре, давайте спробуємо», — згадувала вона.

Через три роки Тошес та її колеги опублікували їхні перші результати порівняння типів нейронних клітин у черепах і ящірок з такими у мишей і людей. Відмінності в експресії генів припускають, що рептилійний DVR і неокортекс ссавців еволюціонували незалежно від різних областей мозку.

«Документ 2018 року став знаменним документом, оскільки це була перша справді вичерпна молекулярна характеристика нервових типів у ссавців і рептилій», — сказав Бредлі Колквітт, молекулярний нейробіолог з Каліфорнійського університету в Санта-Крус.

Але щоб справді підтвердити, що дві області мозку не еволюціонували з одного джерела предків, Тошес та її команда зрозуміли, що їм потрібно знати більше про те, як типи нервових клітин ссавців і рептилій можуть порівнюватися з нейронами давнього спільного предка.

Вони вирішили шукати підказки в мозку саламандри під назвою гостроребрий тритон. (Свою назву він отримав завдяки здатності просовувати свої ребра крізь шкіру, щоб отруїти та проколоти хижаків.) Саламандри — це амфібії, які відокремилися від роду, який вони поділили з ссавцями та рептиліями, приблизно через 30 мільйонів років після появи перших чотирилапих. вийшли на сушу за мільйони років до того, як ссавці та рептилії відокремилися одне від одного. Як і всі хребетні, саламандри мають структуру під назвою палій, яка розташована біля передньої частини мозку. Якщо у саламандри були нейрони в їх паліумі, подібні до нейронів неокортекса ссавців або DVR рептилій, то ці нейрони повинні були існувати у давнього предка, якого поділили всі три групи тварин.

Починаємо спочатку з неокортексом

У своїй статті 2022 року лабораторія Тошеса провела одноклітинне секвенування РНК на тисячах клітин мозку саламандри та порівняла результати з даними, зібраними раніше від рептилій і ссавців. Крихітні мізки саламандри, кожний приблизно в п’ятдесяту частину об’єму мозку миші, були ретельно підготовлені та позначені дослідниками. Потім мозок помістили в машину розміром приблизно з коробку для взуття, яка підготувала всі зразки для секвенування приблизно за 20 хвилин. (Тошес зазначив, що до недавніх технологічних удосконалень на це потрібен був рік.)

Після того як дослідники проаналізували дані про послідовність, відповідь на дискусію стала зрозумілою. Деякі з нейронів саламандри збігалися з нейронами рептилійного DVR, але деякі ні. Це свідчить про те, що принаймні частини DVR еволюціонували з палію предка, спільного з амфібіями. Незрівнянні клітини в DVR здавалися інноваціями, які з'явилися після того, як лінії амфібій і рептилій розійшлися. Таким чином, рептилійний DVR був сумішшю успадкованих і нових типів нейронів.

Однак ссавці були іншою історією. Нейрони саламандри нічого не збігалися в неокортексі ссавців, хоча вони нагадували клітини в частинах мозку ссавців поза неокортексом.

Крім того, кілька типів клітин у неокортексі — зокрема типи пірамідальних нейронів, які складають більшість нейронів у структурі — також не збігалися з клітинами рептилій. Тому Тошес та її колеги припустили, що ці нейрони еволюціонували виключно у ссавців. Вони не перші дослідники, які запропонували таке походження клітин, але вони перші, хто надав докази цього, використовуючи потужну роздільну здатність секвенування одноклітинної РНК.

Тошес та її команда припускають, що практично весь неокортекс ссавців є еволюційним нововведенням. Таким чином, хоча принаймні частина рептилійного DVR була адаптована з області мозку предків, неокортекс ссавців еволюціонував як нова область мозку, що розвивається новими типами клітин. Їхня відповідь на десятиліття дебатів полягає в тому, що неокортекс ссавців і DVR рептилій не є гомологічними, оскільки вони не мають спільного походження.

Георг Стрідтер, дослідник нейробіології з Каліфорнійського університету в Ірвіні, який вивчає порівняльну нейробіологію та поведінку тварин, назвав ці відкриття захоплюючими та несподіваними. «Мені здавалося, що це надає справді гарні докази того, про що я лише припускав», — сказав він.

Нова відповідь від команди Тошеса не означає, що неокортекс у ссавців еволюціонував так, щоб акуратно розташовуватися на старих ділянках мозку, як пропонувала теорія триєдиного мозку. Натомість, коли неокортекс розширювався і в ньому народжувалися нові типи пірамідальних нейронів, інші ділянки мозку продовжували розвиватися разом з ним. Вони не просто трималися під собою як стародавній «мозок ящірки». Можливо навіть, що складність, яка виникає в неокортексі, підштовхнула до еволюції інших відділів мозку — або навпаки.

Тошес та її колеги нещодавно знайшли доказ того, що, здавалося б, стародавні ділянки мозку все ще розвиваються. друга стаття який з’явився у вересневому номері 2022 року наука. Вона об’єдналася з Лораном, своїм постдокторським наставником, щоб дізнатися, що може виявити секвенування РНК однієї клітини про нові та старі типи клітин у порівнянні мозку ящірки з мозком миші. Спочатку вони порівняли повний набір типів нейронних клітин кожного виду, щоб знайти спільні, які, мабуть, передалися від спільного предка. Потім вони шукали типи нервових клітин, які відрізнялися між видами.

Їхні результати показали, що як збережені, так і нові типи нейронних клітин зустрічаються по всьому мозку, а не лише в областях мозку, які з’явилися нещодавно. Весь мозок — це «мозаїка» старих і нових типів клітин Юстус Кебшулл, еволюційний нейробіолог з Університету Джона Гопкінса.

Переосмислення визначень

Деякі вчені, однак, кажуть, що оголосити дебати завершеними не так просто. Барбара Фінлей, еволюційний нейробіолог із Корнельського університету, вважає, що все ще необхідно дивитися на те, як нейрони генеруються, як вони мігрують і з’єднуються під час розвитку, а не лише порівнювати, де вони потрапляють у мозок дорослих амфібій, рептилій і ссавців. Фінлей вважає, що було б «чудово», якби всі ці висновки можна було об’єднати. «Думаю, ми це зробимо з часом», — сказала вона.

Тошес зауважив, що мозок амфібій міг втратити певну складність, яка була присутня у попереднього спільного предка. Щоб знати напевно, Тошес сказав, що дослідникам потрібно буде використовувати секвенування одноклітинної РНК на примітивних видах кісткових риб або інших земноводних, які все ще живі сьогодні. Цей експеримент може виявити, чи є у будь-якого з типів нейронів, які спостерігаються у ссавців, попередники у тварин до амфібій.

Робота Тошес та її колег також спровокувала нові дискусії про те, чи варто дослідникам переглянути, що таке кора головного мозку та які тварини її мають. Сучасне визначення говорить, що кора головного мозку повинна мати видимі нервові шари, такі як неокортекс або DVR, але Тошес вважає це «багажем», що залишився від традиційної нейроанатомії. Коли її команда використала нові інструменти секвенування, вони також знайшли докази шарів у мозку саламандри.

«На мій погляд, немає підстав стверджувати, що у саламандр чи амфібій немає кори», — сказав Тошес. «На даний момент, якщо ми називаємо кору рептилії корою, ми також повинні називати корою саламандри».

Беббіт вважає, що Тошес має рацію. «Те, як ці речі були визначені за допомогою класичної морфології, ймовірно, просто не витримає лише на основі інструментів, які ми маємо зараз», — сказав Беббіт.

Питання стосується того, як нейробіологи повинні думати про птахів. Експерти сходяться на думці, що птахи вражають пізнавальні здібності які можуть зрівнятися з багатьма ссавцями або перевершити їх. Оскільки птахи походять від рептилій, вони також мають DVR, але чомусь ні їхній DVR, ні інші «подібні до кори» області мозку не організовані в очевидні шари. Відсутність видимих ​​шарів, здається, не заважає цим регіонам підтримувати складну поведінку та навички. Тим не менш, у птахів досі не визнають, що вони мають кору.

Така сильна увага до зовнішнього вигляду може ввести вчених в оману. Як показують нові одноклітинні дані від команди Тошеса, «зовнішній вигляд може бути оманливим, коли мова йде про гомологію», - сказав Стрідтер.