Как выяснила группа немецких ученых, специфичный для человека ген оказался основным фактором расширения новой коры головного мозга. А значит, действие этого гена, появившегося в результате всего пары мутаций, могло помочь человеку в ходе эволюции развить уникальные когнитивные способности.
Органоид мозга шимпанзе размером около 3 миллиметров. Обычные стволовые клетки окрашены в красный цвет, стволовые клетки, получившие ген ARHGAP11B, окрашены зеленым цветом / © Jan Fischer
Новая кора, или неокортекс, — эволюционно наиболее молодая область коры головного мозга. Ее выделяют у всех видов млекопитающих, однако именно у человека неокортекс составляет основную часть коры, даже при сравнении с высшими человекообразными обезьянами. Именно эта область мозга отвечает за такие высшие когнитивные способности, как осознанное мышление, речь, обучение и способность к рассуждению.
Считается, что наблюдаемое у человека увеличение объема коры связано с более высокой пролиферативной способностью (то есть способностью к размножению клеток делением и последующему разрастанию ткани) клеток -предшественников нейронов коры головного мозга. И хотя гены, ответственные за подобную повышенную пролиферацию, уже, казалось бы, были найдены в предыдущих исследованиях, их влияние на развитие мозга человекообразных обезьян еще никто не изучал.
Это заметила группа ученых из Института молекулярной клеточной биологии и генетики имени Макса Планка (Германия) и решила выяснить, как активность гена, повышающего пролиферацию предшественников нейронов у человека, будет действовать в мозгу шимпанзе — характерного представителя человекообразных обезьян. Статья с результатами исследования опубликована в журнале EMBO Reports.
Однако ранее исследования на человекообразных обезьянах не проводились не просто так, ведь они запрещены в Европе по этическим соображениям. Авторы новой работы нашли выход — они проводили эксперименты с так называемыми мозговыми органоидами. Органоиды представляют собой модельные трехмерные клеточные структуры диаметром несколько миллиметров, которые можно выращивать из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) шимпанзе или человека.
ИСПК получают, перепрограммируя обычные дифференцированные клетки с уже заданной функцией так, что они становятся вновь стволовыми. Далее из них можно получить почти любые другие клетки, в том числе органоиды, имитирующие мозговую ткань и даже отдельно кору головного мозга. Причем ранее было показано, что исследования на таких органоидах идентичны экспериментам на реальном мозге.
Ученые выбрали известный ранее специфичный для человека ген ARHGAP11B, активный в основном в клетках-предшественниках нейронов в неокортексе плода человека, и заставили его экспрессироваться в клетках мозговых органоидов шимпанзе. Это привело к удвоению количества предшественников нейронов, играющих ключевую роль в расширении неокортекса.
С другой стороны, заблокировав экспрессию этого гена в клетках мозговых органоидов человека, исследователи снизили количество предшественников нейронов неокортекса до уровня шимпанзе. Причем блокировка схожего, но не идентичного гена ARHGAP11A, гораздо более распространенного среди многих видов животных, не приводит к таким кардинальным изменениям.
Предполагается, что ген ARHGAP11B появился в результате частичной дупликации (удваивания) гена ARHGAP11A примерно 5 миллионов лет назад и дальнейшей мутации этой копии. Возможно, именно эти мутации и последующая экспрессия ARHGAP11B и сыграли ключевую роль в увеличении когнитивных способностей и эволюции человека.
