Люди генетически похожи на шимпанзе и бонобо, но даже с ними у нас есть очевидные поведенческие и когнитивные различия. Учёные из Института биологических исследований Солка (Salk Institute for Biological Studies) в сотрудничестве с исследователями кафедры антропологии Калифорнийского университета в Сан-Диего (University of California, San Diego) ищут способы сделать проще изучение развития нейронов человека в сравнении с развитием нейронов других приматов.
«Такое исследование позволит понять, как развивалась структура мозга, и поможет сделать сравнительный анализ людей и других приматов», — говорит один из руководителей исследования, Расти Гейдж (Fred «Rusty» Gage).
Два важных процесса в развитии мозга — созревание и перемещение нейронов. Созревание включает рост нейронов, когда они увеличивают связи друг с другом для лучшего взаимодействия. Перемещение — это физическое движение нейронов в различные части развивающегося мозга. Авторы исследования решили сравнить созревание и перемещение нейронов у людей и других приматов.
Чтобы выполнить эту задачу, в лаборатории Гейджа разработали новый метод. Использовалась технология стволовых клеток — образцы клетки кожи приматов с помощью вируса и химических соединений заставили развиться в нейронные прогениторные клетки (этот тип клеток способен преобразовываться в различные виды мозговых клеток, включая нейроны). Полученные новые культуры клеток приматов можно постоянно размножать, что позволит исследователям изучить аспекты развития живых нейронов, не используя образцы ткани шимпанзе и бонобо, приматов, находящихся под угрозой исчезновения.
«Это инновационная стратегия изучения эволюции человека, — говорит Кэрол Марчетто (Carol Marchetto), старший научный сотрудник Лаборатории Генетики в Салке, соавтор исследования. — Мы рады поделиться линиями клеток с научным сообществом, чтобы исследователи по всему миру могли изучать развитие мозга приматов без использования образцов ткани. Мы предполагаем, что в ближайшие годы это приведёт к многочисленным открытиям в области эволюции мозга».
Исследователи впервые изучили различия в экспрессии гена, связанного с перемещением нейронов, у человека, шимпанзе и бонобо. Было найдено 52 гена, связанных с перемещением нейронов, и оказалось, что нейроны шимпанзе и бонобо иногда перемещались быстро, в то время как человеческие — медленно.
Чтобы сравнить перемещение и созревание нейронов вне пробирки, учёные трансплантировали нейронные прогениторные клетки людей и шимпанзе в мозг грызунов, позволив нейронам расти и создавая дополнительные условия для их развития.
Исследователи проанализировали различия в дистанции перемещения, форме и размерах нейронов более чем через 19 недель после трансплантации. Они следили за длиной, плотностью и качеством отростков нейронов (дендритов), а также размером клеточного тела, в котором размещается ядро и ДНК.
Нейроны шимпанзе за две недели перемещались дальше и покрывали на 76% больше пространства, чем человеческие нейроны. Человеческие нейроны медленнее развиваются, но имеют большую длину. Такой медленный рост позволяет мозгу человека достичь иных этапов развития в сравнении с мозгами нечеловеческих приматов, что, вероятно, обусловливает разницу в поведении и когнитивных способностях.
В будущем авторы надеются, используя индуцированные плюрипотентные клетки, лучше понять эволюцию человеческого мозга. Также авторы планируют в дальнейшем с помощью этой технологии изучать у разных видов приматов различия в регуляции экспрессии генов, которые могут влиять на организацию мозга у людей.
«Мы обладаем ограниченными знаниями об эволюции мозга, особенно когда речь идёт о различиях в клеточном развитии между разными видами, — говорит Марчетто. — Мы рады огромным возможностям, которые открывает наша работа для нейронауки и изучения эволюции мозга».