Takto sa ľudský mozog zväčšil: Naše bunky sa vyrovnali so stresom z veľkosti

Takto sa ľudský mozog zväčšil: Naše bunky sa vyrovnali so stresom z veľkosti

Ľudia si vyvinuli neúmerne veľké mozgy v porovnaní s našimi príbuznými primátmi - ale táto neurologická modernizácia bola drahá. Vedci, ktorí študujú tento kompromis, objavili jedinečné genetické vlastnosti, ktoré odhaľujú, ako sa ľudské mozgové bunky vyrovnávajú so stresom spojeným s udržiavaním fungovania veľkého mozgu. Tento výskum by mohol otvoriť nové prístupy k lepšiemu pochopeniu chorôb, ako je Parkinsonova choroba a schizofrénia.

Štúdia zverejnená 15. novembra 1 sa zameriava na neuróny, ktoré produkujú neurotransmiter dopamín. To je kľúčové pre pohyb, učenie a emocionálne spracovanie.

Porovnaním tisícok dopamínových neurónov vypestovaných v laboratóriu od ľudí, šimpanzov, makakov a orangutanov vedci zistili, že ľudské dopamínové neuróny exprimujú viac génov, ktoré podporujú aktivitu škodlivých antioxidantov ako neuróny iných primátov.

Výsledky, ktoré ešte neboli recenzované, sú krokom k „pochopeniu evolúcie ľudského mozgu a všetkých potenciálnych pozitívnych a negatívnych aspektov, ktoré sú s tým spojené,“ vysvetľuje Andre Sousa, neurovedec z University of Wisconsin-Madison. "Je zaujímavé a dôležité skutočne zistiť, čo je špecifické na ľudskom mozgu, s potenciálom vyvinúť nové terapie alebo dokonca predchádzať chorobám v budúcnosti."

Stresované neuróny

Rovnako ako vzpriamená chôdza viedla k problémom s kolenami a chrbtom a zmeny v štruktúre čeľuste a stravy viedli k problémom so zubami, rýchla expanzia ľudského mozgu v priebehu evolučného obdobia vytvorila výzvy pre jeho bunky, hovorí spoluautor štúdie Alex Pollen, neurológ z Kalifornskej univerzity v San Franciscu. "Predpokladali sme, že došlo k podobnému procesu a že tieto dopamínové neuróny môžu predstavovať zraniteľné kĺby."

Pollen a jeho tím pomocou zobrazovacej techniky ukázali, že dve oblasti mozgu, ktoré vyžadujú dopamín, sú u ľudí výrazne väčšie ako u makakov. Prefrontálny kortex je 18-krát väčší a striatum je takmer sedemkrát väčšie.

Napriek tomu majú ľudia len asi dvakrát toľko dopamínových neurónov ako ich príbuzní primátov, hovorí Pollen. Tieto neuróny sa preto musia natiahnuť ďalej a pracovať tvrdšie – každý z nich tvorí viac ako dva milióny synapsií – vo väčšom a zložitejšom ľudskom mozgu.

"Dopamínové neuróny sú skutoční športovci," hovorí Nenad Sestan, vývojový neurológ z Yale University v New Haven, Connecticut. "Sú neustále aktivované."

Aby sme pochopili, ako sa ľudské dopamínové neuróny mohli prispôsobiť požiadavkám veľkého mozgu, Pollen a jeho kolegovia pestovali verzie týchto buniek v laboratóriu.

Skombinovali kmeňové bunky - z ktorých sa môžu vyvinúť mnohé typy buniek - z ôsmich ľudí, siedmich šimpanzov, troch makakov a orangutana a vypestovali ich do miniaturizovaných štruktúr podobných mozgu nazývaných organoidy. Po 30 dňoch tieto štruktúry začali produkovať dopamín, napodobňujúci vyvíjajúci sa mozog.

Tím potom geneticky sekvenoval dopamínové neuróny, aby zmeral, ktoré gény boli aktivované a ako boli regulované.

Pri analýze ľudských a šimpanzích neurónov vedci zistili, že ľudské neuróny exprimovali vyššie hladiny génov, ktoré riadia oxidačný stres – typ poškodenia buniek, ktorý môže byť spôsobený energeticky náročným procesom produkcie dopamínu. Tieto gény kódujú enzýmy, ktoré rozkladajú a neutralizujú toxické molekuly nazývané reaktívne formy kyslíka, ktoré môžu poškodiť bunky.

Aby sa zistilo, či ľudské dopamínové neuróny mohli vyvinúť jedinečné stresové reakcie, autori použili pesticíd, ktorý spôsobuje oxidačný stres organoidom. Zistili, že neuróny, ktoré sa vyvinuli z ľudských buniek, zvýšili produkciu molekuly nazývanej BDNF, ktorá je znížená u ľudí s neurodegeneratívnymi ochoreniami, ako je Parkinsonova choroba. Rovnaká reakcia však nebola pozorovaná v neurónoch šimpanzov.

Posilnenie odolnosti

Pochopenie týchto ochranných mechanizmov by mohlo podporiť vývoj terapií, ktoré posilňujú bunkovú obranu ľudí s rizikom vzniku Parkinsonovej choroby. "Niektoré z týchto ochranných mechanizmov nemusia byť prítomné u každého kvôli mutáciám," vysvetľuje Sousa. "To vytvára ďalšiu zraniteľnosť pre týchto jednotlivcov."

"Existujú niektoré potenciálne ciele, ktoré by mohli byť veľmi zaujímavé na rozrušenie a potom ich transplantáciu do [zvieracích] modelov Parkinsonovej choroby, aby sme zistili, či tieto neuróny poskytnú väčšiu odolnosť, " hovorí Pollen.

Organoidy skúmané v štúdii predstavujú vyvíjajúce sa neuróny ekvivalentné tým, ktoré sú prítomné v embryu a nezachytávajú plnú zložitosť dospelých neurónov. Budúci výskum musí preskúmať, ako takéto ochranné mechanizmy pretrvávajú v zrelých a starnúcich neurónoch, hovorí Sousa, pretože "degeneratívne ochorenia postihujúce tieto bunky sa zvyčajne vyskytujú v neskorom veku."

1. Nolbrant, S. a kol. Predtlač na bioRxiv: https://doi.org/10.1101/2024.11.14.623592

   Študovňa Google  

Stiahnite si literatúru