Oto jak ludzki mózg powiększył się: nasze komórki poradziły sobie ze stresem związanym z rozmiarem

Oto jak ludzki mózg powiększył się: nasze komórki poradziły sobie ze stresem związanym z rozmiarem

W porównaniu do naszych krewnych naczelnych, u ludzi wykształciły się nieproporcjonalnie duże mózgi, ale to neurologiczne ulepszenie miało swoją cenę. Naukowcy badający ten kompromis odkryli unikalne cechy genetyczne, które ujawniają, jak ludzkie komórki mózgowe radzą sobie ze stresem związanym z utrzymaniem funkcjonowania dużego mózgu. Badania te mogą otworzyć nowe podejście do lepszego zrozumienia chorób, takich jak choroba Parkinsona i schizofrenia.

Badanie opublikowane 15 listopada 1 koncentruje się na neuronach wytwarzających neuroprzekaźnik dopaminę. Ma to kluczowe znaczenie dla ruchu, uczenia się i przetwarzania emocji.

Porównując tysiące wyhodowanych w laboratorium neuronów dopaminowych ludzi, szympansów, makaków i orangutanów, naukowcy odkryli, że ludzkie neurony dopaminowe wyrażają więcej genów promujących aktywność szkodliwych przeciwutleniaczy niż neurony innych naczelnych.

Wyniki, które nie zostały jeszcze poddane recenzji, stanowią krok w kierunku „zrozumienia ewolucji ludzkiego mózgu i wszystkich potencjalnych pozytywnych i negatywnych aspektów z nią związanych” – wyjaśnia Andre Sousa, neurolog z Uniwersytetu Wisconsin–Madison. „To interesujące i ważne, aby naprawdę dowiedzieć się, co jest specyficzne w ludzkim mózgu i co może potencjalnie pomóc w opracowaniu nowych terapii, a nawet zapobieganiu chorobom w przyszłości”.

Zestresowane neurony

Tak jak chodzenie w pozycji pionowej doprowadziło do problemów z kolanami i plecami, a zmiany w budowie szczęki i diecie doprowadziły do ​​problemów z zębami, tak szybki rozwój ludzkiego mózgu w czasie ewolucji stworzył wyzwania dla jego komórek, mówi współautor badania Alex Pollen, neurolog z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco. „Postawiliśmy hipotezę, że miał miejsce podobny proces i że te neurony dopaminy mogą reprezentować wrażliwe stawy”.

Korzystając z techniki obrazowania, Pollen i jego zespół wykazali, że dwa obszary mózgu wymagające dopaminy są u ludzi znacznie większe niż u makaków. Kora przedczołowa jest 18 razy większa, a prążkowie prawie siedem razy większa.

Mimo to ludzie mają tylko około dwa razy więcej neuronów dopaminowych niż ich krewni z naczelnych, mówi Pollen. Dlatego neurony te muszą rozciągać się dalej i pracować ciężej – każdy tworzy ponad dwa miliony synaps – w większym, bardziej złożonym ludzkim mózgu.

„Neurony dopaminowe to prawdziwi sportowcy” – mówi Nenad Sestan, neurobiolog zajmujący się rozwojem na Uniwersytecie Yale w New Haven w stanie Connecticut. „Są stale aktywowane.”

Aby zrozumieć, w jaki sposób ludzkie neurony dopaminowe mogły przystosować się do wymagań dużego mózgu, Pollen i jego współpracownicy wyhodowali w laboratorium wersje tych komórek.

Połączyli komórki macierzyste – które mogą rozwinąć się w wiele typów komórek – od ośmiu ludzi, siedmiu szympansów, trzech makaków i orangutana, i wyhodowali je w zminiaturyzowane struktury przypominające mózg, zwane organoidami. Po 30 dniach struktury te zaczęły wytwarzać dopaminę, naśladując rozwijający się mózg.

Następnie zespół zsekwencjonował genetycznie neurony dopaminy, aby zmierzyć, które geny zostały aktywowane i w jaki sposób były regulowane.

Analizując neurony człowieka i szympansa, naukowcy odkryli, że neurony ludzkie wykazują wyższy poziom genów zarządzających stresem oksydacyjnym – rodzajem uszkodzenia komórek, które może być spowodowane energochłonnym procesem produkcji dopaminy. Geny te kodują enzymy rozkładające i neutralizujące toksyczne cząsteczki zwane reaktywnymi formami tlenu, które mogą uszkadzać komórki.

Aby zbadać, czy ludzkie neurony dopaminowe mogły wyewoluować unikalne reakcje na stres, autorzy zastosowali pestycyd, który powoduje stres oksydacyjny w organoidach. Odkryli, że neurony powstałe z komórek ludzkich zwiększyły produkcję cząsteczki zwanej BDNF, której poziom jest zmniejszony u osób cierpiących na choroby neurodegeneracyjne, takie jak choroba Parkinsona. Jednak tej samej reakcji nie zaobserwowano w neuronach szympansów.

Wzmocnienie odporności

Zrozumienie tych mechanizmów ochronnych może pomóc w opracowaniu terapii wzmacniających obronę komórkową osób zagrożonych chorobą Parkinsona. „Niektóre z tych mechanizmów ochronnych mogą nie występować u każdego z powodu mutacji” – wyjaśnia Sousa. „Stwarza to dodatkową bezbronność dla tych osób”.

„Istnieje kilka potencjalnych celów, które można zaburzyć, a następnie przeszczepić do [zwierzęcych] modeli choroby Parkinsona, aby sprawdzić, czy zwiększają one odporność neuronów” – mówi Pollen.

Organoidy zbadane w badaniu reprezentują rozwijające się neurony odpowiadające tym obecnym w embrionie i nie oddają pełnej złożoności neuronów dorosłych. Przyszłe badania muszą sprawdzić, jak takie mechanizmy ochronne utrzymują się w dojrzałych i starzejących się neuronach, mówi Sousa, ponieważ „choroby zwyrodnieniowe atakujące te komórki zwykle pojawiają się w późnym wieku”.

1. Nolbrant, S. i in. Preprint w bioRxiv: https://doi.org/10.1101/2024.11.14.623592

   Scholar Google  

Pobierz literaturę