Кора головного мозга млекопитающих, как известно, включает шесть нейронных слоев – так называемый неокортекс. Сильнее всего он развит у человека. Однако более древние и простые структуры мозга в ходе эволюции не исчезают полностью, а лишь видоизменяются.
Ученые из Института мозга им. Макса Планка во Франкфурте-на-Майне впервые изучили экспрессию генов в нейронах коры черепах и ящериц (в отличие от предыдущих исследований, которые были основаны лишь на анатомо-морфологических признаках) и обнаружили неожиданные сходства и различия с корой млекопитающих. Эти результаты являются серьезным шагом в нашем понимании хода эволюции мозга позвоночных.
Наш мозг включает в себя эволюционно сравнительно «древние» области, такие как гиппокамп и «новые» области, такие как шестислойный неокортекс, обнаруженный только у млекопитающих и наиболее заметно у людей (иногда в качестве совокупности белого и серого вещества коры применяется термин «плащ мозга» или паллий). Но когда в эволюции возникли компоненты коры головного мозга и как они развивались?
Млекопитающие, рептилии и птицы происходят от общего предка, который жил около 320 миллионов лет назад. Нейробиологи считают, что у этого предка была небольшая кора с тремя слоями, потому что подобная структура и по сей день является основой гиппокампа млекопитающих и коры современных рептилий.
Сравнивая кору сегодняшних рептилий с древними и новыми элементами мозга сегодняшних млекопитающих (например, гиппокампом и неокортексом, соответственно), можно выявить сходства, потенциальные наследственные черты и различия — в результате их независимого развития — и таким образом восстановить основные особенности развития коры.
Основная проблема заключается в том, что для анализа этих черт до сих использовались методы сравнительной анатомии и морфологии. Новое же исследование, опубликованное в Science, включает молекулярный анализ отдельных нейронов и обеспечивает уникальные данные, помогающие восстановить эволюционный ход развития коры.
На протяжении десятилетий анатомические различия между мозгом рептилий и млекопитающих вызвали множество споров о развитии коры: соответствует ли эта часть мозга рептилий аналогичной для млекопитающих, или же многие слои, обнаруженные в неокортексе млекопитающих, действительно существуют и у рептилий? Ответ кроется в молекулярных основах.
Типы нейронов различаются по морфологии, набору нейромедиаторов, образуемыми связями и функциональными свойствами – и все это – результат экспрессии определённого набора генов. Если ген считывается, можно зафиксировать его РНК. Вся совокупность этих молекул (отражающая активные гены) называется транскриптомом. Он уникален для каждого типа нейронов, и именно его изучение привело исследователей к новому открытию.
Из каждого типа они смогли идентифицировать диагностические маркерные гены и использовать кодируемые ими белки для оценки положения различных типов клеток в головном мозге. Маркерные белки метили флуоресцентными молекулами, в результате чего гистологический срез превращался в цветную картину, на которой легко можно было установить количество и расположение различных типов нервных клеток.
Авторам удалось сравнить молекулярные карты мозга рептилий с аналогичными картами для млекопитающих, найти взаимно однозначные соответствия и даже выдвинуть гипотезы о том, каким был мозг у их общего предка, жившего 320 миллионов лет назад.
Новые молекулярные карты показывают, что у рептилий существуют типы нейронов, которые соответствуют типам, обнаруженным в гиппокампе млекопитающих. У рептилий гиппокамп находится в центре мозга, но, в отличие от его «свернутого» аналога млекопитающих, выглядит как один лист.
Судя по всему, у ранних млекопитающих гиппокамп постепенно сдавливался растущим неокортексом и вынужден был завернуться сам в себя, приобретя таким образом ту форму, которую мы сейчас наблюдаем у млекопитающих.
Кора рептилий тоже кое-что прояснила в истории неокортекса млекопитающих: тормозные нейроны, например, экспрессируют подобные наборы генов у рептилий и млекопитающих, что указывает на общую родословную. Однако возбуждающие нейроны существенно различаются. Из этого можно заключить, что неокортекс млекопитающих – своеобразное сборище древних и новых типов нейронов. И основная «инновация» шестислойного неокортекса заключается в появлении новых и разнообразных типов возбуждающих нейронов.
Исследователи сообщают, их работа — это только начало большого пути. Глубокое исследование молекулярных сходств и различий может помочь проследить детальную эволюцию мозга.
Текст: Дарья Тюльганова