Источник фото: ScienceDaily
У большинства приматов мозг сравнительно крупный, а его поверхность покрыта характерными извилинами и бороздами. Обыкновенные игрунки (Callithrix jacchus) в этом смысле стоят особняком: у этих небольших обезьян мозг почти полностью гладкий, складок на нём совсем немного. Специалисты Немецкого центра приматов (DPZ), Института исследований приматов имени Лейбница в Гёттингене, выявили ряд клеточных процессов, которые объясняют такую особенность, сообщает ScienceDaily.
В работе использовались миниатюрные модели мозга — органоиды. Выяснилось, что некоторые нейральные клетки-предшественники, из которых образуются нейроны, у игрунок развиваются иначе, чем у человека. Различия касаются строения этих клеток, скорости их деления и сроков развития. В совокупности такие изменения снижают число производимых нейронов, из-за чего мозг игрунки меньше по размеру и имеет более гладкую поверхность. Результаты опубликованы в журнале Science Advances и дают новые сведения об эволюции мозга приматов, а в перспективе могут помочь в изучении нарушений развития человеческого мозга.
Размер мозга и степень складчатости его поверхности — важные признаки, по которым различаются виды приматов. У человека поверхность мозга сильно изрезана и напоминает грецкий орех, что значительно увеличивает её площадь и создаёт место для миллиардов нейронов, обеспечивающих сложное мышление и другие развитые умственные способности. Учёные полагают, что общий предок современных приматов уже имел мозг средних размеров с хотя бы частичной складчатостью, однако не все ныне живущие приматы сохранили эти черты. Обыкновенные игрунки — небольшие обезьяны родом из Южной Америки, которые всё чаще используются в биомедицинских исследованиях, — имеют мозг почти без видимых извилин, и сотрудники Немецкого центра приматов решили выяснить, почему он формируется иначе, чем у человека и других приматов.
«Мы хотели понять, какие изменения на клеточном уровне приводят к тому, что мозг игрунки растёт меньше и образует меньше складок, — поясняет Лидия Тинянская, одна из двух первых авторов исследования и аспирантка младшей исследовательской группы «Развитие и эволюция мозга» в DPZ. — В начале развития мозг обыкновенной игрунки имеет типичное строение и состав крупного складчатого мозга приматов. Значит, по мере развития должны запускаться процессы, которые заметно замедляют производство нервных клеток».
Чтобы изучить эти различия, команда сравнила органоиды мозга, выращенные из клеток человека и обыкновенной игрунки. Основное внимание уделили нейральным клеткам-предшественникам, которые отвечают за образование нейронов в ходе развития мозга. Именно эти клетки во многом определяют итоговые размеры и форму мозга: чем больше нейронов они производят, тем выше потенциал коры к росту и формированию складок. Исследователи установили, что меньшая и более гладкая кора игрунки — следствие не одного изменения, а нескольких различий у разных типов клеток-предшественников, которые вместе ограничивают образование нейронов и складчатость.
«Наши исследования показали, что некоторые клетки-предшественники у обыкновенной игрунки делятся значительно медленнее, чем у человека, — отмечает Сесар Матео Бастидас Бетанкур, также первый автор работы и аспирант группы. — Другие клетки-предшественники устроены проще, чем у человека, имеют меньше отростков и поэтому делятся менее активно. Оба фактора в итоге дают меньше нервных клеток, а это способствует меньшему размеру и меньшей складчатости коры у игрунок». Кроме того, учёные выявили различия в том, когда у клеток-предшественников появляются определённые свойства и особенности поведения: по сравнению с человеком у игрунок короче общий период, в течение которого эти клетки могут быстро размножаться. Медленное деление, более простое строение клеток и короткое окно быстрого роста вместе объясняют, почему мозг игрунки производит меньше нейронов и образует гораздо меньше складок.
Значительная часть работы опиралась на органоиды мозга — небольшие трёхмерные структуры, выращенные из клеток и воспроизводящие важные черты раннего развития мозга. Эти миниатюрные модели позволили изучить изменения в развитии на множестве образцов и сопоставить сроки ключевых процессов. «Исследование объединяет преимущества методов in vivo и in vitro, — говорит Михаэль Хайде, руководитель младшей исследовательской группы. — Органоиды хорошо подходят для получения статистически надёжных результатов, поскольку такие размеры выборки невозможны на приматах. Затем мы повторили часть ключевых экспериментов на ткани мозга плода, чтобы подтвердить результаты, полученные на органоидах». Учёные также установили, что органоид мозга игрунки, выращенный в течение 50 дней, соответствует стадии развития естественного мозга игрунки на 90-й день. Это соотношение было важно, поскольку органоиды и настоящий мозг развиваются не с одинаковой скоростью, и сопоставление стадий позволило надёжнее интерпретировать результаты.
Полученные данные помогают понять, как сравнительно небольшие различия в поведении и сроках развития клеток, из которых строится мозг, приводят к существенным различиям в его размере и складчатости у приматов. Они также дают возможное объяснение тому, как за время эволюции возникло большое разнообразие форм и размеров мозга приматов, включая появление как относительно гладких, так и гораздо более крупных и сильно складчатых мозгов. Помимо эволюционного значения, эти открытия создают основу для изучения развития человеческого мозга и того, что происходит при нарушении этих процессов. Более глубокое понимание клеточных механизмов, управляющих образованием нейронов и ростом мозга, в перспективе может помочь исследователям в изучении нарушений развития, затрагивающих человеческий мозг.