Dit is hoe menselijke hersenen groter werden: onze cellen konden omgaan met de stress van de grootte

Dit is hoe menselijke hersenen groter werden: onze cellen konden omgaan met de stress van de grootte

Mensen hebben onevenredig grote hersenen ontwikkeld vergeleken met onze verwanten van primaten, maar deze neurologische upgrade had een prijs. Wetenschappers die deze afweging bestuderen, hebben unieke genetische eigenschappen ontdekt die onthullen hoe menselijke hersencellen omgaan met de stress die gepaard gaat met het functioneren van grote hersenen. Dit onderzoek zou nieuwe benaderingen kunnen openen om ziekten zoals Parkinson en schizofrenie beter te begrijpen.

De studie werd op 15 november gepubliceerd 1 richt zich op neuronen die de neurotransmitter dopamine produceren. Dit is cruciaal voor beweging, leren en emotionele verwerking.

Door duizenden in het laboratorium gekweekte dopamine-neuronen van mensen, chimpansees, makaken en orang-oetans te vergelijken, ontdekten de onderzoekers dat menselijke dopamine-neuronen meer genen tot expressie brengen die de activiteit van schadelijke antioxidanten bevorderen dan de neuronen van andere primaten.

De resultaten, die nog niet door vakgenoten zijn beoordeeld, zijn een stap in de richting van "het begrijpen van de evolutie van het menselijk brein en alle potentiële positieve en negatieve aspecten die daarmee samenhangen", legt Andre Sousa uit, een neurowetenschapper aan de Universiteit van Wisconsin-Madison. “Het is interessant en belangrijk om echt uit te zoeken wat specifiek is aan het menselijk brein, met het potentieel om nieuwe therapieën te ontwikkelen of zelfs ziekten te voorkomen in de toekomst.”

Gestresste neuronen

Net zoals rechtop lopen heeft geleid tot knie- en rugproblemen, en veranderingen in de kaakstructuur en het dieet tot gebitsproblemen hebben geleid, heeft de snelle expansie van het menselijk brein in de loop van de evolutionaire tijd voor uitdagingen voor de cellen gezorgd, zegt co-auteur Alex Pollen, een neurowetenschapper aan de Universiteit van Californië, San Francisco. "We veronderstelden dat een soortgelijk proces plaatsvond en dat deze dopamine-neuronen kwetsbare gewrichten kunnen vertegenwoordigen."

Met behulp van een beeldvormende techniek toonden Pollen en zijn team aan dat twee hersengebieden die dopamine nodig hebben, bij mensen aanzienlijk groter zijn dan bij makaken. De prefrontale cortex is 18 keer groter en het striatum bijna zeven keer groter.

Toch hebben mensen slechts ongeveer twee keer zoveel dopamine-neuronen als hun verwanten bij primaten, zegt Pollen. Deze neuronen moeten zich daarom verder uitstrekken en harder werken – elk vormen ze meer dan twee miljoen synapsen – in het grotere, complexere menselijke brein.

“De dopamineneuronen zijn echte atleten”, zegt Nenad Sestan, ontwikkelingsneurowetenschapper aan de Yale University in New Haven, Connecticut. “Ze worden voortdurend geactiveerd.”

Om te begrijpen hoe menselijke dopamine-neuronen zich mogelijk hebben aangepast om aan de eisen van een groot brein te voldoen, hebben Pollen en zijn collega's versies van deze cellen in het laboratorium gekweekt.

Ze combineerden stamcellen – die zich tot vele celtypen kunnen ontwikkelen – van acht mensen, zeven chimpansees, drie makaken en een orang-oetan en lieten ze groeien tot geminiaturiseerde, hersenachtige structuren die organoïden worden genoemd. Na 30 dagen begonnen deze structuren dopamine te produceren, wat een zich ontwikkelend brein nabootste.

Het team heeft vervolgens de dopamine-neuronen genetisch gesequenced om te meten welke genen werden geactiveerd en hoe ze werden gereguleerd.

In een analyse van neuronen van mensen en chimpansees ontdekten onderzoekers dat de menselijke neuronen hogere niveaus van genen tot expressie brachten die oxidatieve stress beheersen - een soort celbeschadiging die kan worden veroorzaakt door het energie-intensieve proces van dopamineproductie. Deze genen coderen voor enzymen die giftige moleculen, reactieve zuurstofsoorten genaamd, afbreken en neutraliseren en die cellen kunnen beschadigen.

Om te onderzoeken of menselijke dopamine-neuronen mogelijk unieke stressreacties hebben ontwikkeld, hebben de auteurs een pesticide toegepast dat oxidatieve stress op de organoïden veroorzaakt. Ze ontdekten dat neuronen die zich ontwikkelden uit menselijke cellen de productie van een molecuul genaamd BDNF verhoogden, wat verminderd is bij mensen met neurodegeneratieve ziekten zoals Parkinson. Dezelfde reactie werd echter niet waargenomen bij chimpanseeneuronen.

Het versterken van de veerkracht

Het begrijpen van deze beschermende mechanismen zou de ontwikkeling kunnen ondersteunen van therapieën die de cellulaire afweer versterken van mensen die het risico lopen de ziekte van Parkinson te ontwikkelen. “Sommige van deze beschermende mechanismen zijn vanwege mutaties mogelijk niet bij iedereen aanwezig”, legt Sousa uit. “Dit creëert extra kwetsbaarheid voor deze individuen.”

"Er zijn enkele potentiële doelwitten die heel interessant zouden kunnen zijn om te verstoren en vervolgens te transplanteren in [dier]modellen van Parkinson om te zien of deze de neuronen meer veerkracht geven", zegt Pollen.

De in het onderzoek onderzochte organoïden vertegenwoordigen zich ontwikkelende neuronen die gelijkwaardig zijn aan de neuronen die aanwezig zijn in een embryo en omvatten niet de volledige complexiteit van volwassen neuronen. Toekomstig onderzoek moet onderzoeken hoe dergelijke beschermende mechanismen blijven bestaan ​​in volwassen en verouderende neuronen, zegt Sousa, omdat "degeneratieve ziekten die deze cellen aantasten meestal op late leeftijd voorkomen."

1. Nolbrant, S. et al. Voordruk bij bioRxiv: https://doi.org/10.1101/2024.11.14.623592

   Google Scholar  

Literatuur downloaden