Наша кора головного мозга, состоящая из нейронов, связей и цепей, включает «древние» области, такие как гиппокамп, и «новые» области, такие как шестислойная «неокортекс», встречающаяся только у млекопитающих и наиболее заметная у людей. Но когда в процессе эволюции возникли компоненты коры головного мозга и как они эволюционировали? Ученые из Института исследований мозга Макса Планка во Франкфурте-на-Майне изучили экспрессию генов в нейронах коры головного мозга черепах и ящериц и обнаружили неожиданные сходства и различия с корой головного мозга млекопитающих. Эти результаты являются важной вехой на пути к реконструкции эволюции мозга позвоночных.
Снимок трехслойной коры головного мозга черепахи (слева) и различных типов нейронов в спинной коре черепахи (справа). Нейроны помечены флуоресцентной гибридизацией in situ для двух генов, экспрессируемых в двух типах нейронов.
&копировать; MPI f. Исследование мозга
Мы во многих отношениях являемся нашей корой головного мозга. Его схемы служат для формирования нашего восприятия мира, хранения наших воспоминаний и планирования нашего поведения. Кора головного мозга с ее типичной слоистой организацией встречается только у млекопитающих, включая людей, и рептилий, не относящихся к птицам, таких как ящерицы и черепахи. Млекопитающие, рептилии и птицы происходят от общего предка, жившего около 320 миллионов лет назад. Нейробиологи полагают, что у этого предка была небольшая кора с тремя слоями, потому что аналогичная структура обнаружена сегодня в гиппокампе млекопитающих и во всех корковых структурах современных рептилий: эти трехслойные корковые структуры, вероятно, соответствуют их общей наследственной коре.
Сравнивая кору головного мозга современных рептилий со старой и новой корой современных млекопитающих (такими как гиппокамп и неокортекс соответственно), мы можем искать сходства, потенциальные черты предков и различия – в результате их независимой эволюции – и, таким образом, реконструировать основные особенности эволюции коры головного мозга. Сравнения до сих пор основывались на особенностях развития и анатомических особенностях. Это новое исследование, основанное на молекулярной характеристике отдельных нейронов рептилий, предоставляет беспрецедентные данные, которые помогут реконструировать эволюцию коры головного мозга.
На протяжении десятилетий анатомические различия между мозгом рептилий и млекопитающих разжигали множество споров об эволюции коры головного мозга. Люди спорили о том, соответствует ли эта часть мозга рептилий той части мозга млекопитающих, или многие слои, обнаруженные в неокортексе млекопитающих, на самом деле существуют и у рептилий, но в форме, которую невозможно обнаружить традиционными методами. Жиль Лоран и его группа в Институте исследований мозга Макса Планка применили другой подход и сосредоточились на молекулярной характеристике множества типов нейронов, составляющих кортикальные цепи.
Секвенированный транскриптом
«Типы» нейронов различаются, среди прочего, своей морфологией, нейротрансмиттерами, связями и функциональными свойствами. Все эти особенности являются результатом экспрессии различных наборов генов; следовательно, отдельные нейроны могут быть классифицированы (или типизированы) путем измерения молекул РНК-мессенджеров, которые они содержат (их «транскриптом»). Мария Антониетта Тошес, первый автор этого исследования, и ее коллеги секвенировали транскриптомы клеток черепах и ящериц после их захвата, одного за другим, в микроскопических каплях воды с использованием специализированных платформ микрофлюидики.
Используя эти профили экспрессии генов, ученые смогли классифицировать тысячи нейронов. По каждому типу они могли идентифицировать диагностические маркерные гены и использовать их для оценки положения типов клеток в головном мозге. Представьте себе изображение коры головного мозга, однородное до тех пор, внезапно преобразованное в коллаж цветных зон, каждая из которых содержит один или несколько характерных типов клеток.
Теперь авторы могли напрямую сравнивать молекулярные карты рептилий с картами мозга млекопитающих, находить взаимно однозначные соответствия и даже строить гипотезы о мозге их общего предка 320 миллионов лет назад (ныне вымершего).
Вынужден сложить
«Наши результаты чрезвычайно проясняют наше понимание мозга рептилий и, следовательно, эволюции мозга», — говорит Тошес. Эти новые молекулярные карты показывают, например, что у рептилий есть типы нейронов, соответствующие тем, которые находятся в гиппокампе млекопитающих, структуре, участвующей в пространственной ориентации и формировании воспоминаний. У рептилий гиппокамп расположен ближе к центру мозга, но, в отличие от его свернутого аналога у млекопитающих, выглядит как единый лист. «Это похоже на то, как если бы у ранних млекопитающих наследственный гиппокамп был вытеснен все более доминирующим неокортексом и вынужден сложиться сам по себе, чтобы приобрести свою фирменную архитектуру млекопитающих», — добавляет Лоран.
Не-гиппокампальная кора рептилий, напротив, раскрыла сложную историю неокортекса млекопитающих. Ингибирующие нейроны, например, экспрессируют сходные наборы генов у рептилий и млекопитающих, что указывает на общее происхождение. Однако возбуждающие нейроны существенно различаются в этих двух группах. «Шестислойный неокортекс млекопитающих представляет собой увлекательную мозаику древних и новых типов нейронов», — говорит Тошес. Теперь ученые могут указать на истинную новизну неокортекса млекопитающих, то есть на появление новых типов возбуждающих нейронов после глубоких изменений программ экспрессии генов.
Это исследование открывает много новых вопросов. Имеют ли древние типы нейронов одинаковые функции в кортикальных цепях рептилий и млекопитающих? И могут ли эти молекулярные сходства и различия информировать нас об эволюции функций мозга и поведении животных? «С помощью этих новых молекулярных карт можно исследовать гораздо больше», — говорит Лоран: «Это только начало».
https://www.mpg.de/12027342/molecular-atlas-reptile-brain
Загрузка...
