Tādā veidā cilvēka smadzenes kļuva lielākas: mūsu šūnas tika galā ar lieluma radīto stresu

Tādā veidā cilvēka smadzenes kļuva lielākas: mūsu šūnas tika galā ar lieluma radīto stresu

Cilvēkiem ir attīstījušās nesamērīgi lielas smadzenes, salīdzinot ar mūsu primātu radiniekiem, taču šim neiroloģiskajam uzlabojumam bija sava cena. Zinātnieki, kas pēta šo kompromisu, ir atklājuši unikālas ģenētiskas iezīmes, kas atklāj, kā cilvēka smadzeņu šūnas tiek galā ar stresu, kas rodas, uzturot lielu smadzeņu darbību. Šis pētījums varētu pavērt jaunas pieejas, lai labāk izprastu tādas slimības kā Parkinsona slimība un šizofrēnija.

Pētījums publicēts 15. novembrī 1 koncentrējas uz neironiem, kas ražo neirotransmitera dopamīnu. Tas ir ļoti svarīgi kustībām, mācībām un emociju apstrādei.

Salīdzinot tūkstošiem laboratorijā audzētu dopamīna neironu no cilvēkiem, šimpanzēm, makakiem un orangutāniem, pētnieki atklāja, ka cilvēka dopamīna neironi ekspresē vairāk gēnu, kas veicina kaitīgo antioksidantu aktivitāti nekā citu primātu neironi.

Rezultāti, kas vēl nav salīdzinoši pārskatīti, ir solis ceļā uz "cilvēka smadzeņu evolūcijas izpratni un visus ar to saistītos iespējamos pozitīvos un negatīvos aspektus", skaidro Viskonsinas-Medisonas universitātes neirozinātnieks Andre Sousa. "Ir interesanti un svarīgi patiesi noskaidrot, kas ir specifisks cilvēka smadzenēm, ar potenciālu izstrādāt jaunas terapijas vai pat novērst slimības nākotnē."

Stress neironi

Tāpat kā taisnā staigāšana ir izraisījusi problēmas ar ceļiem un muguru, un izmaiņas žokļu struktūrā un uzturā ir izraisījušas zobu problēmas, cilvēka smadzeņu straujā paplašināšanās evolūcijas laikā ir radījusi izaicinājumus tās šūnām, saka pētījuma līdzautors Alekss Pollens, Kalifornijas Universitātes Sanfrancisko neirozinātnieks. "Mēs izvirzījām hipotēzi, ka notika līdzīgs process un ka šie dopamīna neironi var būt neaizsargātas locītavas."

Izmantojot attēlveidošanas tehniku, Pollens un viņa komanda parādīja, ka divi smadzeņu reģioni, kuriem nepieciešams dopamīns, cilvēkiem ir ievērojami lielāki nekā makakiem. Prefrontālā garoza ir 18 reizes lielāka, un striatums ir gandrīz septiņas reizes lielāks.

Tomēr cilvēkiem ir tikai aptuveni divreiz vairāk dopamīna neironu nekā viņu primātu radiniekiem, saka Pollens. Tāpēc šiem neironiem ir jāstiepjas tālāk un jāstrādā smagāk – katrs veido vairāk nekā divus miljonus sinapses – lielākās, sarežģītākās cilvēka smadzenēs.

"Dopamīna neironi ir īsti sportisti," saka Nenads Sestans, attīstības neirozinātnieks Jēlas universitātē Ņūheivenā, Konektikutā. "Tie tiek pastāvīgi aktivizēti."

Lai saprastu, kā cilvēka dopamīna neironi varēja pielāgoties lielu smadzeņu prasībām, Pollens un viņa kolēģi laboratorijā audzēja šo šūnu versijas.

Viņi apvienoja astoņu cilvēku, septiņu šimpanžu, trīs makaku un orangutāna cilmes šūnas, kas var attīstīties daudzos šūnu veidos, un izaudzēja tās miniaturās, smadzenēm līdzīgās struktūrās, ko sauc par organoīdiem. Pēc 30 dienām šīs struktūras sāka ražot dopamīnu, atdarinot smadzeņu attīstību.

Pēc tam komanda ģenētiski sekvencēja dopamīna neironus, lai noteiktu, kuri gēni tika aktivizēti un kā tie tika regulēti.

Cilvēka un šimpanzes neironu analīzē pētnieki atklāja, ka cilvēka neironi izteica augstāku gēnu līmeni, kas pārvalda oksidatīvo stresu - šūnu bojājumu veidu, ko var izraisīt energoietilpīgs dopamīna ražošanas process. Šie gēni kodē fermentus, kas sadala un neitralizē toksiskās molekulas, ko sauc par reaktīvām skābekļa sugām, kas var bojāt šūnas.

Lai noskaidrotu, vai cilvēka dopamīna neironi var būt attīstījuši unikālas stresa reakcijas, autori izmantoja pesticīdu, kas izraisa oksidatīvo stresu organoīdiem. Viņi atklāja, ka neironi, kas attīstījās no cilvēka šūnām, palielināja molekulas, ko sauc par BDNF, ražošanu, kas ir samazināta cilvēkiem ar neirodeģeneratīvām slimībām, piemēram, Parkinsona slimību. Tomēr tāda pati reakcija netika novērota šimpanzes neironos.

Elastības stiprināšana

Šo aizsardzības mehānismu izpratne varētu atbalstīt tādu terapiju izstrādi, kas stiprina šūnu aizsardzību cilvēkiem, kuriem ir Parkinsona slimības attīstības risks. "Daži no šiem aizsardzības mehānismiem mutāciju dēļ var nebūt sastopami visiem," skaidro Sousa. "Tas šīm personām rada papildu neaizsargātību."

"Ir daži potenciālie mērķi, kurus varētu būt ļoti interesanti traucēt un pēc tam pārstādīt Parkinsona [dzīvnieku] modeļos, lai noskaidrotu, vai tie piešķir neironiem lielāku noturību," saka Pollens.

Pētījumā pārbaudītie organoīdi pārstāv neironus, kas ir līdzvērtīgi tiem, kas atrodas embrijā, un neaptver visu pieaugušo neironu sarežģītību. Turpmākajos pētījumos ir jāpārbauda, ​​kā šādi aizsardzības mehānismi saglabājas nobriedušos un novecojošos neironos, saka Sousa, jo "deģeneratīvas slimības, kas ietekmē šīs šūnas, parasti rodas vēlīnā vecumā."

1. Nolbrants, S. et al. Iepriekšēja drukāšana vietnē bioRxiv: https://doi.org/10.1101/2024.11.14.623592

   Google Scholar  

Lejupielādēt literatūru