Acesta este modul în care creierul uman a devenit mai mare: celulele noastre au făcut față stresului mărimii

Acesta este modul în care creierul uman a devenit mai mare: celulele noastre au făcut față stresului mărimii

Oamenii au evoluat creiere disproporționat de mari în comparație cu rudele noastre primate - dar această îmbunătățire neurologică a avut un preț. Oamenii de știință care studiază acest compromis au descoperit trăsături genetice unice care dezvăluie modul în care celulele creierului uman fac față stresului de a menține funcționarea unui creier mare. Această cercetare ar putea deschide noi abordări pentru a înțelege mai bine boli precum Parkinson și schizofrenia.

Studiul publicat pe 15 noiembrie 1 se concentrează asupra neuronilor care produc neurotransmițătorul dopamină. Acest lucru este crucial pentru mișcare, învățare și procesare emoțională.

Comparând mii de neuroni dopaminergici cultivați în laborator de la oameni, cimpanzei, macaci și urangutani, cercetătorii au descoperit că neuronii dopaminergici umani exprimă mai multe gene care promovează activitatea antioxidanților dăunători decât neuronii altor primate.

Rezultatele, care nu au fost încă evaluate de colegi, reprezintă un pas către „înțelegerea evoluției creierului uman și a tuturor aspectelor potențiale pozitive și negative asociate cu aceasta”, explică Andre Sousa, neuroștiință la Universitatea Wisconsin-Madison. „Este interesant și important să aflăm cu adevărat ce este specific despre creierul uman, cu potențialul de a dezvolta noi terapii sau chiar de a preveni bolile în viitor.”

Neuroni stresați

Așa cum mersul în poziție verticală a dus la probleme la genunchi și spate, iar modificările în structura maxilarului și dieta au dus la probleme dentare, expansiunea rapidă a creierului uman în timpul evoluției a creat provocări pentru celulele sale, spune coautorul studiului Alex Pollen, neuroștiință la Universitatea din California, San Francisco. „Am emis ipoteza că a avut loc un proces similar și că acești neuroni dopaminergici pot reprezenta articulații vulnerabile.”

Folosind o tehnică de imagistică, Pollen și echipa sa au arătat că două regiuni ale creierului care necesită dopamină sunt semnificativ mai mari la oameni decât la macaci. Cortexul prefrontal este de 18 ori mai mare, iar striatul este de aproape șapte ori mai mare.

Totuși, oamenii au doar aproximativ de două ori mai mulți neuroni dopaminergici decât rudele lor primate, spune Pollen. Prin urmare, acești neuroni trebuie să se întindă mai mult și să lucreze mai mult - fiecare formând mai mult de două milioane de sinapse - în creierul uman mai mare și mai complex.

„Neuronii dopaminergici sunt adevărați sportivi”, spune Nenad Sestan, un neuroștiință în dezvoltare la Universitatea Yale din New Haven, Connecticut. „Sunt activate în mod constant.”

Pentru a înțelege modul în care neuronii dopaminergici umani s-ar fi adaptat pentru a satisface cerințele unui creier mare, Pollen și colegii săi au crescut versiuni ale acestor celule în laborator.

Ei au combinat celule stem - care se pot dezvolta în multe tipuri de celule - de la opt oameni, șapte cimpanzei, trei macaci și un urangutan și le-au crescut în structuri miniaturizate, asemănătoare creierului, numite organoizi. După 30 de zile, aceste structuri au început să producă dopamină, mimând un creier în curs de dezvoltare.

Apoi, echipa a secvențiat genetic neuronii dopaminergici pentru a măsura ce gene au fost activate și cum au fost reglementate.

Într-o analiză a neuronilor umani și cimpanzei, cercetătorii au descoperit că neuronii umani exprimă niveluri mai ridicate de gene care gestionează stresul oxidativ - un tip de deteriorare celulară care poate fi cauzată de procesul de producere a dopaminei, consumatoare de energie. Aceste gene codifică enzime care descompun și neutralizează moleculele toxice numite specii reactive de oxigen care pot deteriora celulele.

Pentru a investiga dacă neuronii umani de dopamină ar fi putut evolua răspunsuri unice la stres, autorii au aplicat un pesticid care provoacă stres oxidativ la organoizi. Ei au descoperit că neuronii care s-au dezvoltat din celulele umane au crescut producția lor de o moleculă numită BDNF, care este redusă la persoanele cu boli neurodegenerative, cum ar fi Parkinson. Cu toate acestea, același răspuns nu a fost observat la neuronii cimpanzeului.

Consolidarea rezilienței

Înțelegerea acestor mecanisme de protecție ar putea sprijini dezvoltarea de terapii care întăresc apărarea celulară a persoanelor cu risc de a dezvolta boala Parkinson. „Unele dintre aceste mecanisme de protecție pot să nu fie prezente în toată lumea din cauza mutațiilor”, explică Sousa. „Acest lucru creează o vulnerabilitate suplimentară pentru acești indivizi.”

„Există câteva ținte potențiale care ar putea fi foarte interesante de perturbat și apoi transplantate în modele [animale] de Parkinson pentru a vedea dacă acestea oferă neuronilor mai multă rezistență”, spune Pollen.

Organoizii examinați în studiu reprezintă neuroni în curs de dezvoltare echivalenti cu cei prezenți într-un embrion și nu captează întreaga complexitate a neuronilor adulți. Cercetările viitoare trebuie să examineze modul în care astfel de mecanisme de protecție persistă în neuronii maturi și îmbătrâniți, spune Sousa, deoarece „bolile degenerative care afectează aceste celule apar de obicei la o vârstă târzie”.

1. Nolbrant, S. şi colab. Preprint la bioRxiv: https://doi.org/10.1101/2024.11.14.623592

   Google Academic  

Descărcați literatură