Taip žmonių smegenys tapo didesnės: mūsų ląstelės susidorojo su dydžio stresu

Taip žmonių smegenys tapo didesnės: mūsų ląstelės susidorojo su dydžio stresu

Žmonių smegenys išsivystė neproporcingai dideles, palyginti su mūsų giminaičiais primatais, tačiau šis neurologinis patobulinimas turėjo savo kainą. Šį kompromisą tyrinėjantys mokslininkai atrado unikalius genetinius bruožus, kurie atskleidžia, kaip žmogaus smegenų ląstelės susidoroja su stresu, kurį sukelia didelės smegenų funkcijos. Šis tyrimas gali atverti naujus metodus, kaip geriau suprasti tokias ligas kaip Parkinsono liga ir šizofrenija.

Tyrimas, paskelbtas lapkričio 15 d 1 dėmesys sutelkiamas į neuronus, gaminančius neuromediatorių dopaminą. Tai labai svarbu judėjimui, mokymuisi ir emocijų apdorojimui.

Lygindami tūkstančius laboratorijoje užaugintų dopamino neuronų iš žmonių, šimpanzių, makakų ir orangutanų, mokslininkai nustatė, kad žmogaus dopamino neuronai išreiškia daugiau genų, skatinančių žalingų antioksidantų aktyvumą, nei kitų primatų neuronai.

Rezultatai, kurie dar nebuvo recenzuoti, yra žingsnis link „žmogaus smegenų evoliucijos ir visų galimų teigiamų bei neigiamų aspektų, susijusių su ja, supratimo“, – aiškina Viskonsino-Madisono universiteto neurologas Andre Sousa. „Įdomu ir svarbu iš tikrųjų išsiaiškinti, kas yra specifinė žmogaus smegenyse, galinti sukurti naujus gydymo būdus ar net užkirsti kelią ligoms ateityje.

Įtempti neuronai

Kaip vaikščiojimas vertikaliai sukėlė kelių ir nugaros problemų, o žandikaulio struktūros ir mitybos pokyčiai – dantų problemų, spartus žmogaus smegenų plėtimasis per evoliuciją sukėlė iššūkių jo ląstelėms, sako tyrimo bendraautorius Alexas Pollenas, Kalifornijos universiteto San Franciske neurologas. "Mes iškėlėme hipotezę, kad įvyko panašus procesas ir kad šie dopamino neuronai gali būti pažeidžiami sąnariai."

Naudodami vaizdo gavimo techniką, Pollenas ir jo komanda parodė, kad du smegenų regionai, kuriems reikia dopamino, yra žymiai didesni žmonėms nei makakų. Prefrontalinė žievė yra 18 kartų didesnė, o striatum - beveik septynis kartus.

Vis dėlto žmonės turi tik maždaug dvigubai daugiau dopamino neuronų nei jų giminaičiai primatai, teigia Pollenas. Todėl šie neuronai turi dar labiau ištempti ir dirbti daugiau – kiekvienas sudaro daugiau nei du milijonus sinapsių – didesnėse, sudėtingesnėse žmogaus smegenyse.

„Dopamino neuronai yra tikri sportininkai“, - sako Nenadas Sestanas, Jeilio universiteto Niu Heivene, Konektikuto valstijoje, vystymosi neurologas. "Jie nuolat aktyvuojami."

Kad suprastų, kaip žmogaus dopamino neuronai galėjo prisitaikyti prie didelių smegenų poreikių, Pollenas ir jo kolegos laboratorijoje užaugino šių ląstelių versijas.

Jie sujungė aštuonių žmonių, septynių šimpanzių, trijų makakų ir orangutano kamienines ląsteles, kurios gali išsivystyti į daugybę ląstelių tipų, ir išaugino jas į miniatiūrines į smegenis panašias struktūras, vadinamas organoidais. Po 30 dienų šios struktūros pradėjo gaminti dopaminą, imituodami besivystančias smegenis.

Tada komanda genetiškai sekvenavo dopamino neuronus, kad išmatuotų, kurie genai buvo aktyvuoti ir kaip jie buvo reguliuojami.

Analizuodami žmogaus ir šimpanzės neuronus, mokslininkai nustatė, kad žmogaus neuronai išreiškė didesnį genų, valdančių oksidacinį stresą, lygį – ląstelių pažeidimo tipą, kurį gali sukelti daug energijos sunaudojantis dopamino gamybos procesas. Šie genai koduoja fermentus, kurie skaido ir neutralizuoja toksiškas molekules, vadinamas reaktyviosiomis deguonies rūšimis, kurios gali pažeisti ląsteles.

Norėdami ištirti, ar žmogaus dopamino neuronai galėjo sukurti unikalų streso atsaką, autoriai panaudojo pesticidą, kuris organoidams sukelia oksidacinį stresą. Jie nustatė, kad iš žmogaus ląstelių išsivystę neuronai padidino molekulės, vadinamos BDNF, gamybą, kuri sumažėja žmonėms, sergantiems neurodegeneracinėmis ligomis, tokiomis kaip Parkinsono liga. Tačiau toks pat atsakas nebuvo pastebėtas šimpanzės neuronuose.

Atsparumo stiprinimas

Šių apsauginių mechanizmų supratimas galėtų padėti plėtoti gydymo būdus, kurie sustiprintų žmonių, kuriems gresia Parkinsono liga, ląstelių apsaugą. "Kai kurie iš šių apsauginių mechanizmų gali būti ne visiems dėl mutacijų", - aiškina Sousa. "Tai sukuria papildomą šių asmenų pažeidžiamumą."

„Yra keletas galimų taikinių, kuriuos būtų labai įdomu sutrikdyti ir tada persodinti į Parkinsono ligos [gyvūnų] modelius, kad būtų galima pamatyti, ar jie suteikia neuronams daugiau atsparumo“, - sako Pollenas.

Tyrime ištirti organoidai yra besivystantys neuronai, lygiaverčiai esantiems embrione, ir neužfiksuoja viso suaugusiųjų neuronų sudėtingumo. Būsimuose tyrimuose reikia ištirti, kaip tokie apsauginiai mechanizmai išlieka brandžiuose ir senstančiose neuronuose, sako Sousa, nes „degeneracinės ligos, paveikiančios šias ląsteles, dažniausiai pasireiškia vėlyvame amžiuje“.

1. Nolbrant, S. ir kt. Išankstinis spausdinimas „bioRxiv“: https://doi.org/10.1101/2024.11.14.623592

   Google Scholar  

Atsisiųsti literatūrą