Раскрытие эволюции мозга

Раскрытие эволюции мозга

Ученые Солка сравнивают развитие клеток мозга у людей и нечеловеческих приматов новым способом.

LA JOLLA — Что делает нас людьми и откуда берется это таинственное свойство «человечности»? Люди генетически похожи на шимпанзе и бонобо, но между ними существуют очевидные поведенческие и когнитивные различия. Теперь исследователи из Института Солка в сотрудничестве с исследователями из отдела антропологии Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали стратегию более легкого изучения раннего развития нейронов человека по сравнению с нейронами нечеловеческих приматов. Исследование, появившееся в eLife 7 февраля 2019 года предлагает ученым новый инструмент для фундаментальных исследований мозга.

«Это исследование дает представление об организации мозга, связанной с развитием, и закладывает основу для дальнейшего сравнительного анализа между людьми и нечеловеческими приматами», — говорит один из старших авторов исследования, президент и профессор Солк. Расти Гейдж, который возглавляет кафедру Ви и Джона Адлеров по изучению возрастных нейродегенеративных заболеваний.

Два важных процесса в развитии мозга включают созревание и миграцию нейронов. Созревание включает рост нейронов, поскольку нейроны увеличивают свои связи друг с другом для лучшей коммуникации. Миграция — это физическое перемещение нейронов в разные части развивающегося мозга. Авторы стремились сравнить созревание и миграцию нейронов между людьми и нечеловеческими приматами.

Чтобы выполнить эту задачу, лаборатория Гейджа разработала новый метод, использующий технологию стволовых клеток, чтобы взять клетки кожи у приматов и уговорить их с помощью вируса и химических коктейлей развиться в нервные клетки-предшественники, тип клеток, который имеет способность становиться множественными. типы клеток головного мозга, включая нейроны. Затем эти новые клеточные линии приматов можно постоянно размножать, что дает исследователям новые возможности для изучения аспектов развития нейронов живых нейронов без образцов тканей находящихся под угрозой исчезновения приматов, таких как шимпанзе и бонобо.

«Это новая стратегия изучения эволюции человека», — говорит Кэрол Маркетто, старший научный сотрудник Солка в Лаборатории генетики, соавтор и один из старших авторов исследования. «Мы рады поделиться этими клеточными линиями приматов с научным сообществом, чтобы исследователи со всего мира могли изучать развитие мозга приматов без использования образцов тканей. Мы ожидаем, что в ближайшие несколько лет это приведет к многочисленным новым открытиям об эволюции мозга».

Сначала исследователи изучили различия в экспрессии генов, связанных с движением нейронов, сравнив клетки человека, шимпанзе и бонобо. Они также исследовали миграционные свойства нейронов, присущие каждому виду. Они обнаружили 52 гена, связанных с миграцией, и, что интересно, нейроны шимпанзе и бонобо имели периоды быстрой миграции, в то время как нейроны человека перемещались медленно.

Чтобы сравнить движение и созревание нейронов вне чашки, ученые пересадили нейронные клетки-предшественники от людей и шимпанзе в мозг грызунов, что позволило нейронам процветать и обеспечить дополнительные сигналы развития для нейронов.

Затем исследователи проанализировали различия в расстоянии миграции, форме и размере нейронов в течение 19 недель после трансплантации. Они наблюдали длину, плотность и количество отростков нейронов, называемых дендритами, а также размер тел клеток, в которых находятся ядро ​​и ДНК.

Через две недели нейроны шимпанзе мигрировали на большее расстояние и покрыли на 76 процентов большую площадь, чем нейроны человека. Нейроны человека развивались медленнее, но достигали большей длины, чем нейроны шимпанзе. Эта более медленная модель роста может позволить людям достичь большего количества этапов развития, чем нечеловекообразные приматы, что может объяснить различия в поведении и когнитивных способностях.

В будущем авторы надеются построить эволюционное дерево нескольких видов приматов, используя линии индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, чтобы лучше понять эволюцию человеческого мозга. Кроме того, авторы планируют использовать эту платформу для изучения различий в регуляции генов между видами приматов, которые лежат в основе различий в созревании нейронов и потенциально могут влиять на организацию мозга у людей.

«У нас мало знаний об эволюции мозга, особенно когда речь идет о различиях в развитии клеток между видами», — говорит Марчетто. «Мы в восторге от огромных возможностей, которые эта работа открывает для области нейробиологии и эволюции мозга».

Другими исследователями, участвовавшими в исследовании, были Кришна Вадодария, Сара Б. Линкер, Иниго Нарвайза, Рената Сантос, Ахмет М. Денли, Ана П.Д. Мендес, Рут Офнер, Джонатан Кук, Лорен МакГенри, Джейсон М. Грасмик, Келли Херд, Калли Фредлендер, Линн Рэндольф. -Мур, Риджул Кширсагар, Реа Ксенитопулос, Грейс Чоу и Насун Ха из Солковский институт биологических исследований; Бранка Хрвой-Михич, Катерина Семендефери и Алиссон Р. Муотри из Университета Калифорнии в Сан-Диего; Билал Э. Керман из at Стамбульский университет Медипол; Диана Х.Ю из Университет штата Юта; и Кришнан Падманабхан из Университет Рочестера.

Работа и задействованные исследователи были поддержаны грантами от Национальных институтов здравоохранения, Благотворительного фонда Леоны М. и Гарри Б. Хелмсли, Калифорнийского института регенеративной медицины и Фонда исследований мозга и поведения (ранее Национальный альянс исследований в области Шизофрения и депрессия).

DOI: 10.7554 / eLife.37527