I den menneskelige neocortex er der en sjælden type neuron, der er fraværende i chimpanser og gorillaer • Alexander Markov • Videnskabsnyheder om "Elements" • Neurobiologi, Evolution, Genetik

I den menneskelige neocortex er der en sjælden type neuron, der er fraværende i chimpanser og gorillaer.

Fig. 1. Den menneskelige hjerne er meget forskellig fra hjernen hos andre aber i størrelse, men ikke i anatomi. Diagram fra A. M. M. Sousa et al., 2017. Evolution of the Human Nervous System Function, Structure and Development

Forsøg på at forstå, hvordan den menneskelige hjerne adskiller sig fra apenhjerne har foregået i et halvtreds år, men hidtil er der ikke fundet mange alvorlige forskelle bortset fra størrelse. Sammenligning af de fuldstændige transkriptomer af de 16 sektioner af hjernen hos mennesker, chimpanser og makakker afslørede mange gener, hvis aktivitet har ændret sig markant i den menneskelige evolutionære linje. Langs vejen viste det sig, at der er en sjælden type dopaminneuron i den menneskelige neocortex, der er fraværende i chimpanser og gorillaer, selvom vores fjernere slægtninge, orangutaner og nonhuman aber har sådanne neuroner i cortexen. De opnåede data vil være et vigtigt redskab i søgningen efter årsagerne til menneskets unikhed.

Selvom folk klart adskiller sig fra andre primater i adfærd og kognitive evner, er spørgsmålet om hvilke egenskaber hjernen disse forskelle skyldes langt fra at blive løst. Det er klart, at vores hjerne er større end for andre aber (figur 1), og vi har flere neuroner i neocortex. Men det er sandsynligvis ikke nok til at forklare de unikke træk i vores sind.De positive korrelationer, der spores mellem hjernestørrelse, antal neuroner og kognitive evner i både primater og andre pattedyr, er ikke så enkle og ligetil at reducere vores kognitive egenskaber udelukkende til hjernemasse eller antallet af neuroner i cortexen.

I mere end et halvt århundrede – begyndende med udseendet af Darwinian's "Origin of Species" – har forskere forsøgt at finde i den menneskelige hjerne mindst nogle unikke egenskaber bortset fra størrelse. I starten blev dette spørgsmål overdrevet, så debatten blev meget opvarmet (se Great Hippocampus Question). Darwins modstandere troede, at tilstedeværelsen i den menneskelige hjerne af anatomiske detaljer fraværende hos aber ville vise sig selvstændig skabelse af arter og inkonsekvensen af ​​darwinistiske teorier. Richard Owen, en af ​​de mest anerkendte anti-darwinister, argumenterede for, at en sådan enestående detalje er den lille hippocampus (hippocampus minor), nu kendt som "bird spur" (calcar avis) – en udbulning på den midterste væg i den laterale horn i lateral ventrikel. Men darwinisterne kunne vise, at "den lille hippocampus" og andre hjernestrukturer fundet af Owen, der tilsyneladende er unikke for mennesker, findes også i aber.Denne høje debat bidrog til den voksende popularitet af den darwinske teori, selv om det i dag ikke er let for os at forstå logikken hos de daværende videnskabsmænd, som troede, at tilstedeværelsen eller fraværet af en lille bult på hjernens ventrikelvæg kunne være et argument for eller imod artens evolutionære oprindelse. Hver art har nogle unikke egenskaber, ellers ville det ikke blive betragtet som en særskilt art. Imidlertid tror nogle creationists stadig på, at der er en sjæl i cerebrale ventrikler.

I løbet af de sidste halvanden er der ikke fundet nogen alvorlige anatomiske forskelle mellem den menneskelige hjerne og chimpansen. Selv de specifikke proportioner af divisionerne af den menneskelige neocortex synes ikke at gå ud over den variabilitet, der er karakteristisk for primater. Det var rigtigt, at der var andre, mere subtile forskelle, der påvirker strukturen af ​​forbindelser mellem afdelinger (for eksempel mellem "cortex" talzoner) samt detaljer om neurons struktur (for eksempel er cortexens pyramidale neuroner noget større og har et mere omfattende system af dendrittercirkadet største antal dendritiske rygsøjler). Desuden har adskillige undersøgelser vist, at niveauet af ekspression af visse gener i hjernen hos mennesker og andre primater adskiller sig.Alle disse forskelle samt de foreliggende data om deres genetiske grundlag og funktionelle rolle er diskuteret i en anmeldelseartikel, der blev offentliggjort for nylig i tidsskriftet Cell (A. M. M. Sousa et al., 2017. Evolution of the Human Nervous System Function, Structure and Development).

I det seneste nummer af bladet Videnskab et stort internationalt team af biologer (som inkluderer de forfattere i Cell) rapporteret om resultaterne af en omfattende undersøgelse af transkriptomer af 16 dele af hjernen hos voksne, chimpanser og rhesusaber. De opnåede data tillod os at udvide og afklare ideer om, hvordan hjernen har ændret sig i den menneskelige evolutionære linje.

Forfatterne målte ekspressionsniveauerne af proteinkodende gener og ikke-kodende RNA i 247 hjernevævsprøver fra seks personer, fem chimpanser og fem macaques. Prøver blev taget fra hippocampus, amygdalaen, striatumen, den medalje dorsale kerne af thalamus, cerebellar cortex og 11 dele af neocortex.

Det viste sig, at ekspressionsniveauerne afviger væsentligt (mindst i en hjerneområde i et par arter) hos 25,9% af messenger-RNA (6866 af 26.514) og 40,6% af miRNA (603 af 1485). Hos mennesker er ekspressionen af ​​11,9% af mRNA og 13,6% af miRNA enten signifikant forøget eller nedsat sammenlignet med begge aber i mindst en del af hjernen.Mest af alt adskiller den menneskelige ekspressionsprofil sig fra aben i striatum, thalamus, primær visuel og dorsolateral præfrontal cortex (figur 2). Menneske-specifikke ændringer i udtrykket af mRNA (proteinkodende gener), med sjældne undtagelser, er begrænset til kun visse dele af hjernen (og ikke alle dem på én gang). Tværtimod er der blandt forskellige differentierede miRNA'er mange sådanne, hvis ekspression hos mennesker er forøget eller formindsket i alle eller mange afdelinger på én gang. Samtidig er miRNA-gener med globalt øget ekspression hos mennesker tre gange mere end med reducerede (155 versus 47).

Fig. 2. Differentiel ekspression af gener i den menneskelige hjerne (H, chimpanser (C) og rhesusaben (M). I den øvre figur cirkelstørrelser reflektere antallet af proteinkodende gener med et bestemt ekspressionsniveau: H = C = M – Der er ingen signifikante forskelle mellem arter H> C = M – hos mennesker er udtrykket højere end i chimpanser og macaques mv. På bundbilledet eksempler på differentielt udtrykte gener er vist; cirkelstørrelser vis hvor mange gange ekspressionsniveauet hos mennesker er højere (lyserøde og røde cirkler) eller lavere (blå og blå) end chimpanser og macaques; krus med sort omrids svarer til væsentlige forskelle. dele af hjernen: MFC – den mediale præfrontale cortex, OFC – orbito-præfrontale cortex, DFC – dorsolaterale præfrontale cortex, VFC – Actinolateral præfrontale cortex, M1c – den primære motor cortex, S1c – primær somatosensoriske cortex, IPC – det bageste nedre område af den parietale cortex, A1C – primære auditive cortex, STC – superior temporal cortex, ITC – ringere temporal cortex, V1C – primære visuelle cortex, HIP – hippocampus, AMY – amygdala, STR – striatum, MD – mediodorzalnoe kerne af thalamus, CBC – cortex af lillehjernen. Figur fra den diskuterede artikel i Videnskab

Mange gener, hvis ekspression ændres i mennesker sammenlignet med chimpanser og makakaber, der er forbundet med overførslen af ​​signaler under anvendelse neurotransmitteren acetylcholin, serotonin og dopamin. For eksempel i striatum hos mennesker nedsat ekspression af tre af de fem typer dopaminreceptorer (DRD1, DRD2, DRD3). Disse mæglere har en modulerende (se. Neuromodulation) effekt på neuroner i hjernen og spiller en vigtig rolle i at lære, rationel aktivitet, og følelsesmæssig regulering af adfærd. I modsætning hertil genekspressionsprofilerne forbundet med de vigtigste "arbejdshest" af hjernen – excitatoriske neurotransmitter glutamat og hæmmende neurotransmitter GABA – var ens i de tre arter.Nukleotidsekvenserne af disse gener er også meget konserveret i primater.

Forfatterne har lagt særlig vægt på de gener, der er forbundet med biosyntesen af ​​dopamin: TH (tyrosinhydroxylase) og DDC (DOPA-decarboxylase). ekspression TH og DDC øget dramatisk hos mennesker i striatum sammenlignet med chimpanser og macaques (H> C = M). På samme tid i neocortex i chimpanser udtryk TH lavere end for macaques og mennesker (C<>

Interesseret i dette usædvanlige billede undersøgte forfatterne prøver af hjernevæv fra seks andre abesarter: bonobos, vestlige gorillaer, kalimantan orangutanger, anubis bavian, grisetaket makaque og capuchin-faun.

Forskelle i udtryk TH, som det viste sig i forbindelse med antallet af intercalære neuroner, der udtrykker TH (TH+). Hos mennesker, i to dele af striatumet (i kaudatkernen og skalet) af TH-neuroner+ viste sig at være meget større end alle andre aber. I neocortex, TH neuroner+ vores nære slægtninge er fuldstændig fraværende – store afrikanske aber (chimpanser, bonoboer og gorillaer), men de eksisterer hos mennesker, orangutanger og alle ikke-humane aber (figur 3).

Fig. 3. Der er dopaminproducerende neuroner TH i human og macaque neocortex.+ (vist sorte pile). I nexortex af chimpanser er der ingen sådanne neuroner, men der er kun axoner af dopaminneuroner (hvide pile) kommer her fra midten. Billede fra artiklen i diskussion Videnskab

Om tilstedeværelsen af ​​et par TH neuroner i den humane neocortex+ det var kendt før, men forfatterne formåede at finde ud af om dem nye detaljer. Dømmer af sæt udtrykte gener, TH neuroner+placeret i neocortex, kan syntetisere GABA. Imidlertid udtrykker mange af dem (over 60%) også DDC (et enzym, der er nødvendigt for syntesen af ​​dopamin), men producerer ikke et enzym, som omdanner dopamin til norepinephrin. Yderligere cellekulturforsøg har bekræftet, at disse neuroner ikke producerer dopamin. Undersøgelse af humane hjernevævsprøver i forskellige udviklingsstadier har vist, at TH-kortikale interkalære neuroner+ form i ganglion tubercles og begynder at migrere ind i striatum og neocortex kort før eller kort efter fødslen. I chimpanser og gorillaer kommer de tilsyneladende ikke til neocortex

Mest sandsynligt, i første omgang i aber intercalære neuroner TH+ var til stede i en lille mængde i striatum og i neocortex. I den fælles forfader af store afrikanske aber forsvandt de fra neocortex (eller måske var neuronerne selv ikke forsvundet, men de holdt op med at udtrykke TH – og dermed syntetisere dopamin). Endelig skete der to ændringer i forfædrene af mennesker efter deres adskillelse fra forfædrene af chimpanser: for det første blev tilstedeværelsen af ​​TH neuroner genoprettet+ i neocortex for det andet steg deres antal i striatum dramatisk.

Da dopaminsystemet påvirker mange aspekter af vores psyke (herunder hukommelse, intelligens, læring og motivation), kan disse evolutionære ændringer have direkte indflydelse på naturen af ​​det menneskelige unikt. Er dette – vis yderligere forskning. I dag er det kendt, at antallet af TH neuroner+ i neocortex reduceres den i Parkinsons sygdom og demens med Lewy-kroppe (W. Marui et al., 2003). Så det er helt muligt, at disse neuroner er virkelig vigtige for det menneskelige sindes normale funktion.

Selvfølgelig kan betydningen af ​​det arbejde, der diskuteres, ikke reduceres til at dechiffrere den evolutionære historie af interkalære TH-neuroner.+ (selvom de får meget plads i artiklen). Forfatterne modtog en imponerende liste over gener, hvis aktivitet i visse dele af hjernen er ændret signifikant hos mennesker sammenlignet med andre aber. Mest sandsynligt har mange af disse gener påvirket dannelsen af ​​vores unikke egenskaber. At forstå konsistent med listeposterne, vil det være muligt at finde en masse interessante ting, som forfatterne viste ved hjælp af eksemplet på TH neuroner.+.

Kilde: André MM Sousa, Ying Zhu, Mary Ann Raghanti, Robert R. Kitchen, Marco Onorati, Andrew TN Tebbenkamp, ​​Bernardo Stutz, Kyle A. Meyer, Mingfeng Li, Yuka Imamura Kawasawa, Fuchen Liu, Raquel Garcia Perez, Marta Mele, Tiago Carvalho Mario Skarica, Forrest O. Gulden, Mihovil Pletikos, Akemi Shibata, Alexa R. Stephenson, Melissa K. Edler, John J. Ely, John D. Elsworth, Tamas L. Horvath, Patrick R. Hof, Thomas M. Hyde, Joel E. Kleinman, Daniel R. Weinberger, Mark Reimers, Richard P. Lifton, Shrikant M. Mane, James P. Noonan, Matthew W. State, Ed S. Lein, James A. Knowles, Tomas Marques-Bonet, Chet C Sherwood, Mark B. Gerstein, Nenad Sestan. Molekylær og cellulær reorganisering af neurale kredsløb i den menneskelige slægt // Videnskab. 2017. V. 358. P. 1027-1032. DOI: 10.1126 / science.aan3456.

Se også:
Vil det genetiske grundlag for sindet blive dechiffreret? Elementer, 09.10.2006.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: