Международная группа учёных из России, Китая и Германии под руководством профессора Сколтеха Филиппа Хайтовича в 2017 году открыла уникальные особенности работы генов в разных слоях префронтальной коры головного мозга человека по сравнению с мозгом шимпанзе и макаки.
Исследователи пришли к выводу, что микроархитектура коры больших полушарий мозга человека претерпела весьма значительные изменения в процессе эволюции несмотря на кажущееся сильное сходство анатомии мозга человека и приматов. Результаты исследования опубликованы в Nature Neuroscience.
Исследование высокой эффективности когнитивных способностей человека – приоритетная задача медицины и нейробиологии. Но как изменилась функциональная организация мозга человека в эволюции, известно мало.
У человека наибольшее развития получила кора больших полушарий, в первую очередь префронтальная кора, которую и исследовали в этой работе. Каждый из её шести слоёв характеризуется особыми функциональной ролью в обработке информации, распределением клеток разного типа и организацией связей между ними. На мышах показано, что работа более 5.000 генов различается от слоя к слою. Но для мозга человека систематического анализа работы генов в разных частях коры больших полушарий ранее не проводилось.
«Данная работа – создание и анализ больших баз данных о молекулах РНК, выделенных из разных слоёв префронтальной коры человека, шимпанзе и макаки – предоставляет ценный ресурс для научного сообщества. Открытие множества новых, человек-специфических, маркёров и переключение экспрессии генов между слоями, характерное для коры больших полушарий человека, стало возможным благодаря использованию высокотехнологичных сравнительно-эволюционных исследований молекулярно-генетических основ когнитивных функций», – говорит Ольга Ефимова, один из первых авторов исследования, сотрудник Сколтеха.
Учёные анализировали РНК в последовательных срезах префронтальной области коры больших полушарий человека, шимпанзе и макаки. В результате нашлось более 2.320 генов – новых маркёров слоёв коры головного мозга, уникальных для человека. При более пристальном их изучении оказалось, что 367 генов человека стали работать совсем в другом слое коры в сравнении с шимпанзе. А у шимпанзе, по сравнению с макакой, подобных генов обнаружено всего 133.
Интересно при этом, что времени с момента эволюционного разделения линии макаки и шимпанзе прошло намного больше, чем с момента разделения шимпанзе и человека, а различия максимальны между транскриптомами шимпанзе и человека. Этот факт говорит о существенной реорганизации микроархитектуры префронтальной коры в процессе эволюции человека.
Такие уникальные особенности работы генов дают большие возможности для разработки новых способов регуляции когнитивных функций человека при нормальном старении и развитии патологий головного мозга.
«Иммуногистохимический анализ показал, что уникальные для человека изменения в экспрессии генов затронули не только нейроны, но и широкий спектр других клеток, например, астроциты и микроглию. Это делает очень актуальными результаты недавних исследований, говорящих о критической роли астроцитов и микроглии в интеграции и хранении информации в мозге», – рассказывает Ольга.
Исследовательская группа Филиппа Хайтовича активно занимается поиском молекулярных механизмов, специфичных для эволюционно новых когнитивных способностей человека через интеграцию данных анализа генома, транскриптома, липидома и метаболома, полученных на образцах современного и древнего человека, а также близких видах млекопитающих: шимпанзе, макак и мышей, в сотрудничестве с международными группами ученых из Китая и Германии.
Текст: пресс-служба Сколтеха