Dette er hvordan menneskelige hjerner ble større: Cellene våre taklet stresset med størrelse

Dette er hvordan menneskelige hjerner ble større: Cellene våre taklet stresset med størrelse

Mennesker har utviklet uforholdsmessig store hjerner sammenlignet med våre primatslektninger - men denne nevrologiske oppgraderingen har en pris. Forskere som studerer denne avveiningen har oppdaget unike genetiske egenskaper som avslører hvordan menneskelige hjerneceller takler stresset med å holde en stor hjerne i funksjon. Denne forskningen kan åpne for nye tilnærminger for å bedre forstå sykdommer som Parkinsons og schizofreni.

Studien publisert 15. november 1 fokuserer på nevroner som produserer nevrotransmitteren dopamin. Dette er avgjørende for bevegelse, læring og emosjonell bearbeiding.

Ved å sammenligne tusenvis av laboratoriedyrkede dopaminnevroner fra mennesker, sjimpanser, makaker og orangutanger fant forskerne at menneskelige dopaminnevroner uttrykker flere gener som fremmer aktiviteten til skadelige antioksidanter enn nevronene til andre primater.

Resultatene, som ennå ikke har blitt fagfellevurdert, er et skritt mot å "forstå menneskelig hjerneutvikling og alle potensielle positive og negative aspekter forbundet med det," forklarer Andre Sousa, en nevroforsker ved University of Wisconsin–Madison. "Det er interessant og viktig å virkelig finne ut hva som er spesifikt med den menneskelige hjernen, med potensial til å utvikle nye terapier eller til og med forebygge sykdommer i fremtiden."

Stressede nevroner

Akkurat som oppreist gange har ført til kne- og ryggproblemer, og endringer i kjevestruktur og kosthold har ført til tannproblemer, har den raske ekspansjonen av den menneskelige hjernen over evolusjonær tid skapt utfordringer for cellene, sier medforfatter av studien Alex Pollen, en nevroforsker ved University of California, San Francisco. "Vi antok at en lignende prosess skjedde og at disse dopaminnevronene kan representere sårbare ledd."

Ved hjelp av en bildeteknikk viste Pollen og teamet hans at to områder av hjernen som krever dopamin er betydelig større hos mennesker enn hos makaker. Den prefrontale cortex er 18 ganger større og striatum er nesten syv ganger større.

Likevel har mennesker bare omtrent dobbelt så mange dopaminnevroner som deres primatslektninger, sier Pollen. Disse nevronene må derfor strekke seg lenger og jobbe hardere - hver danner mer enn to millioner synapser - i den større, mer komplekse menneskelige hjernen.

"Dopaminnevronene er ekte idrettsutøvere," sier Nenad Sestan, en utviklingsnevroforsker ved Yale University i New Haven, Connecticut. "De er konstant aktivert."

For å forstå hvordan menneskelige dopaminnevroner kan ha tilpasset seg for å møte kravene til en stor hjerne, dyrket Pollen og hans kolleger versjoner av disse cellene i laboratoriet.

De kombinerte stamceller – som kan utvikle seg til mange celletyper – fra åtte mennesker, sju sjimpanser, tre makaker og en orangutang og dyrket dem til miniatyriserte, hjernelignende strukturer kalt organoider. Etter 30 dager begynte disse strukturene å produsere dopamin, og etterligne en hjerne under utvikling.

Teamet sekvenserte deretter dopaminnevronene genetisk for å måle hvilke gener som ble aktivert og hvordan de ble regulert.

I en analyse av nevroner fra mennesker og sjimpanse fant forskerne at de menneskelige nevronene uttrykte høyere nivåer av gener som håndterer oksidativt stress – en type celleskade som kan være forårsaket av den energikrevende prosessen med dopaminproduksjon. Disse genene koder for enzymer som bryter ned og nøytraliserer giftige molekyler kalt reaktive oksygenarter som kan skade celler.

For å undersøke om menneskelige dopaminnevroner kan ha utviklet unike stressresponser, brukte forfatterne et plantevernmiddel som forårsaker oksidativt stress på organoidene. De fant at nevroner som utviklet seg fra menneskelige celler økte deres produksjon av et molekyl kalt BDNF, som reduseres hos personer med nevrodegenerative sykdommer som Parkinsons. Den samme responsen ble imidlertid ikke observert i sjimpansenevroner.

Styrke motstandskraft

Å forstå disse beskyttelsesmekanismene kan støtte utviklingen av terapier som styrker det cellulære forsvaret til mennesker med risiko for å utvikle Parkinsons sykdom. "Noen av disse beskyttelsesmekanismene er kanskje ikke tilstede hos alle på grunn av mutasjoner," forklarer Sousa. "Dette skaper ytterligere sårbarhet for disse personene."

"Det er noen potensielle mål som kan være veldig interessante å forstyrre og deretter transplantere inn i [dyre] modeller av Parkinsons for å se om disse gir nevronene mer motstandskraft," sier Pollen.

Organoidene som ble undersøkt i studien representerer utviklende nevroner tilsvarende de som er tilstede i et embryo og fanger ikke opp hele kompleksiteten til voksne nevroner. Fremtidig forskning må undersøke hvordan slike beskyttelsesmekanismer vedvarer i modne og aldrende nevroner, sier Sousa, siden "degenerative sykdommer som påvirker disse cellene vanligvis oppstår i en sen alder."

1. Nolbrant, S. et al. Fortrykk på bioRxiv: https://doi.org/10.1101/2024.11.14.623592

   Google Scholar  

Last ned litteratur