Takto se lidský mozek zvětšil: Naše buňky se vyrovnaly se stresem velikosti

Takto se lidský mozek zvětšil: Naše buňky se vyrovnaly se stresem velikosti

Lidé si vyvinuli neúměrně velké mozky ve srovnání s našimi příbuznými primátů – ale tento neurologický upgrade si vyžádal svou cenu. Vědci studující tento kompromis objevili jedinečné genetické rysy, které odhalují, jak se lidské mozkové buňky vyrovnávají se stresem spojeným s udržením funkce velkého mozku. Tento výzkum by mohl otevřít nové přístupy k lepšímu pochopení nemocí, jako je Parkinsonova choroba a schizofrenie.

Studie zveřejněna 15. listopadu 1 se zaměřuje na neurony, které produkují neurotransmiter dopamin. To je zásadní pro pohyb, učení a emoční zpracování.

Porovnáním tisíců v laboratoři pěstovaných dopaminových neuronů od lidí, šimpanzů, makaků a orangutanů vědci zjistili, že lidské dopaminové neurony exprimují více genů, které podporují aktivitu škodlivých antioxidantů než neurony jiných primátů.

Výsledky, které dosud nebyly recenzovány, jsou krokem k „pochopení evoluce lidského mozku a všech potenciálních pozitivních a negativních aspektů s tím spojených,“ vysvětluje Andre Sousa, neurolog z University of Wisconsin-Madison. "Je zajímavé a důležité skutečně zjistit, co je specifické na lidském mozku, s potenciálem vyvíjet nové terapie nebo dokonce předcházet nemocem v budoucnu."

Stresované neurony

Stejně jako vzpřímená chůze vedla k problémům s koleny a zády a změny ve struktuře čelisti a stravy vedly k problémům se zuby, rychlá expanze lidského mozku v průběhu evoluce vytvořila výzvy pro jeho buňky, říká spoluautor studie Alex Pollen, neurolog z Kalifornské univerzity v San Franciscu. "Předpokládali jsme, že k podobnému procesu došlo a že tyto dopaminové neurony mohou představovat zranitelné klouby."

Pollen a jeho tým pomocí zobrazovací techniky ukázali, že dvě oblasti mozku, které vyžadují dopamin, jsou u lidí výrazně větší než u makaků. Prefrontální kůra je 18krát větší a striatum je téměř sedmkrát větší.

Přesto lidé mají jen asi dvakrát více dopaminových neuronů než jejich příbuzní primáti, říká Pollen. Tyto neurony se proto musí dále roztahovat a pracovat tvrději – každý tvoří více než dva miliony synapsí – ve větším, složitějším lidském mozku.

"Dopaminové neurony jsou skuteční sportovci," říká Nenad Sestan, vývojový neurolog z Yale University v New Haven, Connecticut. "Jsou neustále aktivovány."

Aby Pollen a jeho kolegové pochopili, jak se lidské dopaminové neurony mohly přizpůsobit požadavkům velkého mozku, pěstovali verze těchto buněk v laboratoři.

Spojili kmenové buňky - které se mohou vyvinout do mnoha typů buněk - z osmi lidí, sedmi šimpanzů, tří makaků a orangutana a vypěstovali je do miniaturizovaných struktur podobných mozku nazývaných organoidy. Po 30 dnech tyto struktury začaly produkovat dopamin, napodobující vyvíjející se mozek.

Tým poté geneticky sekvenoval dopaminové neurony, aby změřil, které geny byly aktivovány a jak byly regulovány.

Při analýze lidských a šimpanzích neuronů vědci zjistili, že lidské neurony exprimují vyšší hladiny genů, které řídí oxidační stres - typ poškození buněk, které může být způsobeno energeticky náročným procesem produkce dopaminu. Tyto geny kódují enzymy, které rozkládají a neutralizují toxické molekuly zvané reaktivní formy kyslíku, které mohou poškodit buňky.

Aby se zjistilo, zda se u lidských dopaminových neuronů mohly vyvinout jedinečné stresové reakce, autoři aplikovali pesticid, který organoidům způsobuje oxidační stres. Zjistili, že neurony, které se vyvinuly z lidských buněk, zvýšily produkci molekuly zvané BDNF, která je snížena u lidí s neurodegenerativními onemocněními, jako je Parkinsonova choroba. Stejná reakce však nebyla pozorována u neuronů šimpanzů.

Posílení odolnosti

Pochopení těchto ochranných mechanismů by mohlo podpořit vývoj terapií, které posilují buněčnou obranu lidí ohrožených rozvojem Parkinsonovy choroby. "Některé z těchto ochranných mechanismů nemusí být přítomny u každého kvůli mutacím," vysvětluje Sousa. "To vytváří další zranitelnost pro tyto jednotlivce."

„Existují některé potenciální cíle, které by mohly být velmi zajímavé k narušení a poté k transplantaci do [zvířecích] modelů Parkinsonovy choroby, abychom zjistili, zda dávají neuronům větší odolnost,“ říká Pollen.

Organoidy zkoumané ve studii představují vyvíjející se neurony ekvivalentní těm, které jsou přítomny v embryu a nezachycují plnou komplexitu dospělých neuronů. Budoucí výzkum musí prozkoumat, jak takové ochranné mechanismy přetrvávají ve zralých a stárnoucích neuronech, říká Sousa, protože "degenerativní onemocnění postihující tyto buňky se obvykle vyskytují v pozdním věku."

1. Nolbrant, S. a kol. Předtisk na bioRxiv: https://doi.org/10.1101/2024.11.14.623592

   Google Scholar  

Stáhnout literaturu