Новое исследование показывает важную роль мозжечка в эволюции когнитивных функций человека. Исследователи составили карту генетического развития клеток мозжечка у людей, мышей и опоссумов, раскрывая как наследственные, так и уникальные клеточные характеристики.
Ключевые результаты включают увеличение доли специфических клеток Пуркинье у людей, потенциально связанных с более высокими когнитивными функциями, а также выявление более 1000 генов с различными профилями активности у разных видов, некоторые из которых связаны с нарушениями нервного развития. Результаты исследования были опубликованы в журнале «Nature».
Эволюция высших когнитивных функций у человека до сих пор в основном была связана с расширением неокортекса – области мозга, которая отвечает, в частности, за сознательное мышление, движение и сенсорное восприятие.
Однако исследователи все больше осознают, что «маленький мозг» или мозжечок также увеличился в ходе эволюции и, вероятно, вносит свой вклад в уникальные для человека способности, объясняет профессор доктор Хенрик Кессманн (Henrik Kaessmann) из Центра молекулярной биологии Гейдельбергского университета (Center for Molecular Biology of Heidelberg University).
Исследовательская группа вместе с профессором доктором Стефаном Пфистером (Stefan Pfister) из Детского онкологического центра Хоппа в Гейдельберге (Hopp Children’s Cancer Center Heidelberg) создала комплексные генетические карты развития клеток мозжечка человека, мыши и опоссума.
Сравнение этих данных выявляет как наследственные, так и видоспецифичные клеточные и молекулярные характеристики развития мозжечка, охватывающие более 160 миллионов лет эволюции млекопитающих.
«Хотя мозжечок, структура в задней части черепа, содержит около 80 процентов всех нейронов всего человеческого мозга, этот участок мозга долгое время считался областью мозга с довольно простой клеточной архитектурой», — объясняет профессор Кессманн.
Однако в последнее время появляется все больше данных, свидетельствующих о выраженной гетерогенности внутри этой структуры, добавляет молекулярный биолог.
Исследователи из Гейдельберга теперь систематически классифицировали все типы клеток развивающегося мозжечка человека, мыши и опоссума. Для этого ученые сначала собрали молекулярные профили почти 400 000 отдельных клеток, используя технологии секвенирования. Исследователи также использовали процедуры, позволяющие пространственно картировать типы клеток.
На основании этих данных ученые отметили, что в мозжечке человека доля клеток Пуркинье — крупных сложных нейронов с ключевыми функциями в мозжечке — почти вдвое превышает таковую у мыши и опоссума на ранних стадиях развития плода.
Это увеличение в первую очередь обусловлено определенными подтипами клеток Пуркинье, которые сначала генерируются во время развития и, вероятно, взаимодействуют с областями неокортикальной коры, участвующими в когнитивных функциях в зрелом мозге.
«Разумеется, что распространение этих конкретных типов клеток Пуркинье в ходе эволюции человека поддерживает более высокие когнитивные функции у людей», — объясняет доктор Мари Сепп (Mari Sepp).
Используя биоинформационные подходы, исследователи также сравнили программы экспрессии генов в клетках мозжечка человека, мыши и опоссума. Эти программы определяются точно настроенной деятельностью множества генов, определяющих типы, в которые дифференцируются клетки в ходе развития.
Были идентифицированы гены с профилями активности, специфичными для конкретного типа клеток, которые сохранялись у разных видов на протяжении как минимум около 160 миллионов лет эволюции.
По мнению Хенрика Кессмана (Henrik Kaessmann), это говорит о том, что они важны для фундаментальных механизмов, определяющих идентичность типов клеток в мозжечке млекопитающих. В то же время ученые идентифицировали более 1000 генов, профили активности которых различаются у человека, мыши и опоссума.
«На уровне типов клеток довольно часто гены приобретают новые профили активности. Это означает, что предковые гены, присутствующие у всех млекопитающих, в ходе эволюции становятся активными в новых типах клеток, потенциально изменяя свойства этих клеток», — комментирует доктор Кевин Лейсс (Kevin Leiss).
Результаты исследования могут послужить ценным руководством в поиске подходящих модельных систем – помимо мышиной модели – для дальнейшего изучения таких заболеваний.
Авторы другого исследования утверждают, что стимуляция мозжечка улучшает память у пожилых людей