Нейробиологи создали генетические карты мозга для каждого вида приматов и обнаружили 139 генов, которые характеризуются сильной экспрессией только у человека. Возможно, именно они привели к появлению разума.
В поисках различий
Все особенности, отличающие человека от животных, — развитая речь, сознание, высокие когнитивные способности, позволяющие осваивать новое и использовать это на практике, — связаны с высшей нервной деятельностью, за которую отвечает головной мозг. Исследуя его, нейробиологи пытаются найти что-то, что есть только у представителей Homo sapiens и отсутствует у их ближайших родственников — прочих приматов.
Для этого сравнивают анатомию и структуру мозга и его отделов, проводят генетические и молекулярные исследования, анализируют химические и сигнальные процессы в центральной нервной системе. Основное внимание уделяют специализированным нервным клеткам — нейронам — и связям между ними. Благодаря появлению методов генетического анализа нового поколения, таких как секвенирование ДНК и РНК одиночных клеток, стало возможным изучение мозга на принципиально новом уровне.
Разобрать до клетки
В 2013 году стартовал крупный международный проект по созданию карт активности мозга BRAIN Initiative. Первая его часть под названием BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN) завершилась в 2021-м составлением Атласа типов клеток и анатомической нейронной схемы первичной моторной коры головного мозга млекопитающих — мышей, обезьян и человека — как основы для глубокого изучения клеток прочих отделов мозга. В работе приняли участие более 250 ученых из 45 учреждений с трех континентов, а результаты опубликованы в виде 17 статей специального выпуска журнала Nature.
Человеческий мозг состоит из миллиардов нервных клеток, которые образуют триллионы связей, называемых синапсами. Разные типы нейронов влияют на определенные функции мозга, однако ранее было неизвестно их количественное соотношение. Основываясь на генетическом профиле, авторы атласа выделили более сотни подтипов клеток, организованных в несколько уровней иерархии.
В работе использовали анализ транскриптома — полного набора считываний генов в клетке, который содержит инструкции по созданию белков, и эпигенома — набора химических модификаций ДНК клетки, определяющего способ выражения генетической информации. Транскриптомную информацию получили по 2,2 миллиона клеточных ядер, около миллиона нейронов подвергли эпигенетическому анализу, а для 500 провели патч-секвенирование. Этот новейший метод позволяет одновременно собирать молекулярную, анатомическую и физиологическую информацию для одних и тех же клеток.
Сравнительный анализ выявил значительные различия в количестве типов нейронов в мозге мышей, нескольких видов обезьян и человека. Так, в первичной моторной коре мозга мартышек-мармозеток выделили 94 кластера, а в человеческих образцах — 127 типов, и только 45 типов были общими для всех. Авторы исследования связывают это с эволюционным расширением функций клеток мозга от более примитивных млекопитающих к приматам, а затем — к человеку.
Особые клетки
Нейробиологи из Юго-Западного медицинского центра Техасского университета под руководством профессора Женевьевы Конопки сравнили активность различных типов нейронов у людей, шимпанзе и макаки-резуса и выяснили, что в человеческом мозге есть специализированные нервные клетки, отвечающие за адаптацию к изменяющейся обстановке и обработку нового опыта. Также в человеческих нейронах больше генов, влияющих на развитие речи.
Ранее ученые зафиксировали различия в олигодендроцитах мозга человека и шимпанзе. Это специфические клетки, которые окружают нейроны, помогая им быстрее обрабатывать и передавать сигналы. Оказалось, что у человека по сравнению с приматами активность генов в преолигодендроцитах — еще незрелых клетках мозга — сохраняется и во взрослом возрасте. Гены активируются каждый раз в ответ на травмы, стресс, а также любую нестандартную ситуацию. Этот механизм позволяет человеку обучаться в течение всей жизни.
Исследователи надеются, что их открытие будет иметь и конкретное практическое применение — поможет разработать новые методы лечения шизофрении, болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваний, при которых, как выяснили авторы, снижается функция олигодендроцитов.
В другом эксперименте, описанном в этой же статье, доктор Конопка с коллегами сравнили ДНК нейронов современных людей, неандертальцев и денисовцев. Ученые проанализировали не только сам генетический код, но и клеточные механизмы, регулирующие экспрессию генов. И выявили десятки генов, функции которых неодинаковы у представителей нашего вида и их древних родственников. Особенно много различий в нейронах задней поясной извилины — отдела мозга, отвечающего за мыслительную активность в состоянии бодрствования.
Общий вывод, который делают авторы: усиление когнитивных способностей у человека возникло в результате эволюционного расширения функций коры головного мозга и увеличения ее клеточного разнообразия.
Сила эволюции
Недавно ученые из США и Канады под руководством доцента Джесси Гиллис из Центра клеточных и биомолекулярных исследований Университета Торонто опубликовали результаты исследования, в котором отслеживают пути расхождения функций генов у человека и четырех видов приматов: шимпанзе, гориллы, макаки и мармозетки.
Используя базу данных одноклеточного транскриптомного анализа нейронов BICCN, исследователи обнаружили в клетках средней височной извилины головного мозга 139 общих для всех приматов генов, которые обладают сильной экспрессией только в мозге человека. Для них характерен и особый профиль коэкспрессии — взаимного усиления, которого нет у других многоклеточных.
Примерно половина специфических для человеческого мозга генов экспрессируется в нейронах серого вещества, другая часть — в ненейрональных клетках белого вещества, состоящего в основном из пучков нервных волокон, соединяющих различные области серого вещества. От того, насколько эффективно передаются импульсы между нейронами по этим волокнам, во многом зависит координация между различными участками головного мозга и скорость обработки информации.
Некоторые из выделенных генов, такие как NHEJ1, GTF2H2, C2 и BBS5, хорошо изучены. Известно, что они устойчивы к серьезным мутациям, приводящим к потере функций, и могут быстро развиваться в условиях эволюционного отбора. Возможно, считают исследователи, в какой-то период эволюции селективное давление на клеточном уровне было низким, что позволило этим генам взять на себя когнитивные функции более высокого уровня, что и стало источником уникальных способностей Homo sapiens.
"В атласе клеток средней височной извилины приматов около 570 тысяч клеток, — приводятся в пресс-релизе слова ведущего автора статьи Хамсини Суреш, сотрудника Института когнитивной геномики Стэнли в Нью-Йорке. — Гены, развитые у людей, очевидно, были терпимы к изменениям. Наши более высокие когнитивные функции могли возникнуть в результате эволюционной адаптации клеток человеческого мозга ко множеству менее опасных мутаций".
Примерно четверть идентифицированных генов так или иначе связана с различными заболеваниями головного мозга. Авторы рассчитывают, что полученная информация позволит также приблизиться к разгадке природы некоторых трудноизлечимых психических расстройств и нейродегенеративных состояний.
