Co odróżnia twój mózg od neandertalczyka?

Naukowcy odkryli defekt w naszym DNA, który mógł pomóc oddzielić umysły naszych przodków od umysłów neandertalczyków i innych wymarłych krewnych.

Według nowego raportu mutacja, która powstała w ciągu ostatnich setek tysięcy lat, stymuluje rozwój większej liczby neuronów w części mózgu, której używamy do naszych bardziej złożonych form myślenia. nauka Opublikowano w Science w czwartek.

„Odkryliśmy jeden gen, który zdecydowanie przyczynia się do uczynienia nas ludźmi” – powiedział Welland Huttner, neurolog z Instytutu Biologii Molekularnej i Genetyki im. Maxa Plancka w Dreźnie w Niemczech, jeden z autorów badania.

Ludzki mózg pozwala nam robić rzeczy, których inne żywe istoty nie mogą zrobić, takie jak używanie doskonałego języka i tworzenie złożonych planów na przyszłość. Przez dziesięciolecia naukowcy porównywali anatomię naszego mózgu z anatomią innych ssaków, aby zrozumieć, jak ewoluowały te wyrafinowane zdolności.

Najbardziej oczywistą cechą ludzkiego mózgu jest jego wielkość – cztery razy większa od szympansów, naszego najbliższego żyjącego krewnego.

Nasz mózg ma również wyraźne cechy anatomiczne. Obszar kory za naszymi oczami, znany jako płat czołowy, jest niezbędny dla niektórych z naszych najbardziej złożonych myśli. według Studium z 2018 r.ludzki płat czołowy zawiera znacznie więcej neuronów niż ten sam obszar u szympansów.

Jednak porównywanie ludzi do żywych małp ma poważną wadę: nasz ostatni wspólny przodek żył z szympansami prawie siedem milionów lat temu. Aby uzupełnić to, co wydarzyło się od tamtego czasu, naukowcy musieli sięgnąć po skamieniałości naszych ostatnich przodków, znanych jako homininy.

Po zbadaniu czaszek homininów paleoantropolodzy odkryli, że mózgi naszych przodków Znaczący wzrost Rozmiar, który zaczął się około dwóch milionów lat temu. Osiągnęli rozmiary żyjących ludzi około 600 000 lat temu. Neandertalczycy, pośród naszych najbliższych wymarłych krewnych homininów, mieli mózgi tak duże jak nasz.

Ale mózgi neandertalczyków były wydłużone, podczas gdy ludzie mają Bardziej kulisty. Naukowcy nie są w stanie określić przyczyny tych różnic. Jedną z możliwości jest to, że różne regiony mózgów naszych przodków zmieniły swoje rozmiary.

W ostatnich latach neuronaukowcy rozpoczęli badanie starożytnych mózgów za pomocą nowego źródła informacji: fragmentów DNA zachowanych w skamieniałościach homininów. Genetycy zrekonstruowali całe genomy Neandertalczycy Podobnie jak ich wschodni kuzyni, denisowianie.

Naukowcy skupili się na potencjalnie istotnych różnicach między naszymi genomami a genomami neandertalczyków i denisowian. Ludzkie DNA zawiera około 19 000 genów. Białka kodowane przez te geny w większości odpowiadają tym znalezionym u neandertalczyków i denisowian. Ale naukowcy odkryli 96 mutacji specyficznych dla człowieka, które zmieniły strukturę białka.

W 2017 r. Anneline Pinson, badaczka z laboratorium dr Huttner, przyglądała się tej liście mutacji i zauważyła mutację, która zmieniła gen zwany TKTL1. Naukowcy wiedzą, że TKTL1 staje się aktywny w rozwijającej się korze ludzkiej, zwłaszcza w płacie czołowym.

„Wiemy, że płat czołowy jest ważny dla funkcji poznawczych” – powiedział dr Benson. „Więc to była dobra wskazówka, że ​​może być interesującym kandydatem”.

Dr Benson i współpracownicy przeprowadzili wstępne eksperymenty z TKTL1 u myszy i gryzoni. Po wstrzyknięciu ludzkiej wersji genu do mózgów rozwijających się zwierząt odkryli, że myszy i gryzonie produkują więcej neuronów.

Następnie naukowcy przeprowadzili eksperymenty na komórkach ludzkich, wykorzystując części tkanki mózgowej płodu uzyskane za zgodą kobiet, które poroniły w szpitalu w Dreźnie. Użyj dr Benson nożyczki molekularne Obcięcie genu TKTL1 z komórek w próbkach tkanek. Bez niego tkanka mózgu człowieka wytwarza mniej tak zwanych komórek progenitorowych, z których powstają neurony.

W swoim ostatnim eksperymencie naukowcy postanowili stworzyć plik Miniaturowy jak mózg neandertalczyka. Zaczęli od ludzkiej embrionalnej komórki macierzystej i zmodyfikowali gen TKTL1, aby nie zawierał ludzkiej mutacji. Zamiast tego niósł mutację znalezioną u naszych krewnych, w tym neandertalczyków, szympansów i innych ssaków.

Następnie umieścili komórkę macierzystą w kąpieli chemicznej, która skłoniła ją do przekształcenia się w masę rozwijającej się tkanki mózgowej, zwaną organoidem mózgu. Wygenerowano oryginalne komórki mózgowe, które następnie wytworzyły miniaturową korę mózgową złożoną z warstw neuronów.

Organoid mózgu podobny do Neandertalczyka wytwarzał mniej neuronów niż organoid z ludzką wersją TKTL1. Wskazuje to, że gdy gen TKTL1 zostanie zmutowany, nasi przodkowie mogą wytwarzać dodatkowe neurony w płacie czołowym. Chociaż ta zmiana nie zwiększyła ogólnego rozmiaru naszego mózgu, mogła zreorganizować jego okablowanie.

„To naprawdę podróż siłowa” – powiedział Laurent Nguyen, neurolog z Uniwersytetu w Liège w Belgii, który nie był zaangażowany w badanie. „To niezwykłe, że tak niewielka zmiana ma znaczący wpływ na produkcję neuronów”.

Nowe odkrycie nie oznacza, że ​​TKTL1 sam w sobie dostarcza tajemnicy tego, co czyni nas ludźmi. Inni badacze również przyglądają się liście 96 mutacji modyfikujących białka i przeprowadzają własne eksperymenty.

Inni członkowie laboratorium dr Huttnera donieśli w lipcu Dwie inne mutacje zmieniają tempo podziału rozwijających się komórek mózgowych. ostatni rokzespół naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego odkrył, że inna mutacja wydaje się zmieniać liczbę połączeń, jakie ludzkie neurony tworzą ze sobą.

Inne mutacje mogą być również ważne dla naszych mózgów. Na przykład, w miarę rozwoju kory, poszczególne neurony muszą migrować, aby znaleźć odpowiednią niszę. Dr Nguyen zauważył, że niektóre z 96 mutacji unikalnych dla ludzi to zmienione geny, które prawdopodobnie biorą udział w migracji komórek. Spekuluje, że nasze mutacje mogą sprawić, że nasze neurony poruszają się inaczej niż neurony w mózgu neandertalczyka.

„Nie sądzę, że to koniec historii” – powiedział. „Myślę, że potrzeba więcej pracy, aby zrozumieć, co czyni nas ludźmi pod względem rozwoju mózgu”.