В человеческом неокортексе есть редкий тип нейронов, отсутствующий у шимпанзе и горилл

Хотя люди явно отличаются от других приматов по поведению и когнитивным способностям, вопрос о том, какими свойствами мозга обусловлены эти отличия, далек от разрешения. Понятно, что наш мозг крупнее, чем у других обезьян (рис. 1), и у нас больше нейронов в неокортексе. Но этого, скорее всего, недостаточно для объяснения уникальных черт нашего разума. Положительные корреляции, прослеживающиеся между размером мозга, числом нейронов и когнитивными способностями как у приматов, так и у других млекопитающих, не настолько просты и однозначны, чтобы сводить наши когнитивные особенности исключительно к массе мозга или количеству нейронов в коре.

Рис. 1. Мозг человека резко отличается от мозга других обезьян по размеру, но не по анатомии. Схема из статьи A. M. M. Sousa et al., 2017. Evolution of the Human Nervous System Function, Structure, and Development

Уже более полутора веков — начиная с выхода в свет дарвиновского «Происхождения видов» — ученые пытаются найти в мозге человека хоть какие-то уникальные черты кроме размера. Поначалу этому вопросу придавали преувеличенное значение, так что дебаты протекали весьма бурно (см. Great Hippocampus Question). Противники Дарвина думали, что наличие в мозге человека анатомических деталей, отсутствующих у обезьян, доказало бы независимое сотворение видов и несостоятельность дарвиновской теории. Ричард Оуэн, один из самых авторитетных антидарвинистов, утверждал, что такой уникальной деталью является «малый гиппокамп» (hippocampus minor), ныне известный как «птичья шпора» (calcar avis) — выпуклость на медиальной стенке заднего рога бокового желудочка. Но дарвинистам удалось показать, что и «малый гиппокамп», и другие найденные Оуэном мозговые структуры, якобы уникальные для человека, у обезьян тоже имеются. Этот громкий диспут способствовал росту популярности дарвиновской теории, хотя сегодня нам уже нелегко понять логику тогдашних ученых, полагавших, что наличие или отсутствие пустяковой выпуклости на стенке мозгового желудочка может быть аргументом «за» или «против» эволюционного происхождения видов. У каждого вида есть какие-то уникальные черты, иначе его не считали бы отдельным видом. Впрочем, некоторые креационисты и по сей день считают, что в мозговых желудочках находится душа.

За прошедшие полтора века между мозгом человека и шимпанзе так и не удалось найти серьезных анатомических различий. Даже специфические пропорции отделов человеческого неокортекса, по-видимому, не выходят за пределы характерной для приматов изменчивости. Правда, нашлись другие, более тонкие различия, затрагивающие структуру связей между отделами (например, между «речевыми» зонами коры), а также детали строения нейронов (например, пирамидальные нейроны коры у людей несколько крупнее и имеют более разветвленную систему дендритов с большим числом дендритных шипиков). Кроме того, в ряде исследований было показано, что у человека и других приматов различаются уровни экспрессии некоторых генов в мозге. Все эти различия, а также имеющиеся данные об их генетическом базисе и функциональной роли, рассмотрены в обзорной статье, опубликованной недавно в журнале Cell (A. M. M. Sousa et al., 2017. Evolution of the Human Nervous System Function, Structure, and Development).

В последнем выпуске журнала Science большой международный коллектив биологов (в состав которого входят и авторы обзора в Cell) сообщил о результатах масштабного исследования транскриптомов 16 отделов мозга взрослых людей, шимпанзе и макаков резусов. Полученные данные позволили расширить и уточнить представления о том, как изменился мозг в человеческой эволюционной линии.

Авторы измерили уровни экспрессии белок-кодирующих генов и некодирующих РНК в 247 образцах мозговой ткани шести людей, пяти шимпанзе и пяти макак. Образцы были взяты из гиппокампа, миндалевидного тела, полосатого тела, медиодорзального ядра таламуса, коры мозжечка и 11 отделов неокортекса.

Оказалось, что уровни экспрессии достоверно различаются (хотя бы в одном отделе мозга у одной пары видов) у 25,9% матричных РНК (6866 из 26 514) и 40,6% микроРНК (603 из 1485). У человека экспрессия 11,9% мРНК и 13,6% микроРНК либо достоверно повышена, либо понижена по сравнению с обеими обезьянами хотя бы в одном отделе мозга. Сильнее всего человеческий профиль экспрессии отличается от обезьяньего в полосатом теле, таламусе, первичной зрительной и дорзолатеральной префронтальной коре (рис. 2). Специфичные для человека изменения экспрессии мРНК (белок-кодирующих генов) за редкими исключениями приурочены лишь к некоторым отделам мозга (а не ко всем сразу). Напротив, среди дифференциально экспрессирующихся микроРНК много таких, чья экспрессия у человека повышена или понижена во всех или многих отделах сразу. При этом генов микроРНК с глобально повышенной экспрессией у человека втрое больше, чем с пониженной (155 против 47).

Рис. 2. Дифференциальная экспрессия генов в мозге человека (H), шимпанзе (С) и макака резуса (M). На верхнем рисунке размеры кружков отражают число белок-кодирующих генов с тем или иным уровнем экспрессии: H=C=M — нет достоверных различий между видами, H>C=M — у человека экспрессия выше, чем у шимпанзе и макаки, и т. д. На нижнем рисунке показаны примеры дифференциально экспрессирующихся генов; размеры кружков показывают, во сколько раз уровень экспрессии у человека выше (розовые и красные кружки) или ниже (голубые и синие), чем у шимпанзе и макаки; кружки с черным контуром соответствуют достоверным различиям. Отделы мозга: MFC — медиальная префронтальная кора, OFC — орбито-префронтальная кора, DFC — дорзолатеральная префронтальная кора, VFC — вентролатеральная префронтальная кора, M1C — первичная моторная кора, S1C — первичная соматосенсорная кора, IPC — задняя нижняя область теменной коры, A1C — первичная слуховая кора, STC — верхняя височная кора, ITC — нижняя височная кора, V1C — первичная зрительная кора, HIP — гиппокамп, AMY — миндалевидное тело, STR — полосатое тело, MD — медиодорзальное ядро таламуса, CBC — кора мозжечка. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Многие гены, экспрессия которых изменилась у людей по сравнению с шимпанзе и макаками, связаны с передачей сигналов при помощи нейромедиаторовацетилхолина, серотонина и дофамина. Например, в полосатом теле у человека понижена экспрессия трех из пяти типов дофаминовых рецепторов (DRD1, DRD2, DRD3). Эти медиаторы оказывают модулирующее (см. Neuromodulation) влияние на нейроны мозга и играют важную роль в обучении, рассудочной деятельности и эмоциональной регуляции поведения. Напротив, профили экспрессии генов, связанных с главными «рабочими лошадками» мозга — возбуждающим медиатором глутаматом и тормозным медиатором ГАМК — оказались сходными у трех видов. Нуклеотидные последовательности этих генов тоже отличаются высокой консервативностью у приматов.

Особое внимание авторы уделили генам, связанным с биосинтезом дофамина: TH(тирозин-гидроксилаза) и DDC (дофа-декарбоксилаза). Экспрессия TH и DDC резко повышена у человека в полосатом теле по сравнению с шимпанзе и макакой (H>C=M). При этом в неокортексе у шимпанзе экспрессия TH ниже, чем у макаки и человека (C

Заинтересовавшись этой необычной картиной, авторы изучили образцы мозговой ткани шести других видов обезьян: бонобо, западной гориллы, калимантанского орангутана, павиана анубиса, свинохвостого макака и капуцина-фавна.

Различия в экспрессии TH, как выяснилось, связаны с числом вставочных нейронов, экспрессирующих TH (TH+). У человека в двух отделах полосатого тела (в хвостатом ядре и скорлупе) нейронов TH+ оказалось намного больше, чем у всех остальных обезьян. В неокортексе нейроны TH+ полностью отсутствуют у наших ближайших родственников — больших африканских человекообразных обезьян (шимпанзе, бонобо и гориллы), однако они есть у человека, орангутана и всех нечеловекообразных обезьян (рис. 3).

Рис. 3. В неокортексе человека и макаки присутствуют синтезирующие дофамин нейроны TH+ (показаны черными стрелками). В неокортексе шимпанзе таких нейронов нет, а есть только аксоны дофаминовых нейронов (белые стрелки), приходящие сюда из среднего мозга. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

О присутствии в человеческом неокортексе немногочисленных нейронов TH+ было известно и раньше, но авторам удалось выяснить о них новые подробности. Судя по набору экспрессирующихся генов, нейроны TH+, расположенные в неокортексе, могут синтезировать ГАМК. При этом многие из них (свыше 60%) экспрессируют также DDC (фермент, нужный для синтеза дофамина), но не производят фермента, превращающего дофамин в норадреналин. Дополнительные эксперименты с клеточными культурами подтвердили, что эти нейроны действительно производят дофамин. Изучение проб человеческой мозговой ткани на разных стадиях развития показало, что кортикальные вставочные нейроны TH+ формируются в ганглионарных бугорках и начинают мигрировать в полосатое тело и неокортекс незадолго до или вскоре после рождения. У шимпанзе и горилл, они, по-видимому, до неокортекса не добираются

Скорее всего, исходно у обезьян вставочные нейроны TH+ присутствовали в небольшом количестве и в полосатом теле, и в неокортексе. У общего предка больших африканских человекообразных обезьян они пропали из неокортекса (или, может быть, сами нейроны не пропали, но перестали экспрессировать TH — а значит и синтезировать дофамин). Наконец, у предков людей после их отделения от предков шимпанзе произошло два изменения: во-первых, восстановилось присутствие нейронов TH+ в неокортексе, во-вторых, резко выросло их количество в полосатом теле.

Поскольку дофаминовая система влияет на многие аспекты нашей психики (включая память, интеллект, обучаемость и мотивацию поступков), эти эволюционные изменения могут иметь прямое отношение к вопросу о природе человеческой уникальности. Так ли это — покажут дальнейшие исследования. На сегодняшний день известно, что число нейронов TH+ в неокортексе снижается при болезни Паркинсона и деменции с тельцами Леви (W. Marui et al., 2003. Degeneration of tyrosine hydroxylase-immunoreactive neurons in the cerebral cortex and hippocampus of patients with dementia with Lewy bodies). Так что вполне возможно, что эти нейроны действительно важны для нормальной работы человеческого разума.

Разумеется, значимость обсуждаемой работы не сводится к расшифровке эволюционной истории вставочных нейронов TH+ (хоть им и уделено много места в статье). Авторы получили внушительный список генов, активность которых в тех или иных отделах мозга существенно изменилась у людей по сравнению с другими обезьянами. Скорее всего, многие из этих генов повлияли на становление наших уникальных особенностей. Разбираясь последовательно с пунктами списка, можно будет найти немало интересного, как авторы показали на примере нейронов TH+.

Источник: André M. M. Sousa, Ying Zhu, Mary Ann Raghanti, Robert R. Kitchen, Marco Onorati, Andrew T. N. Tebbenkamp, Bernardo Stutz, Kyle A. Meyer, Mingfeng Li, Yuka Imamura Kawasawa, Fuchen Liu, Raquel Garcia Perez, Marta Mele, Tiago Carvalho, Mario Skarica, Forrest O. Gulden, Mihovil Pletikos, Akemi Shibata, Alexa R. Stephenson, Melissa K. Edler, John J. Ely, John D. Elsworth, Tamas L. Horvath, Patrick R. Hof, Thomas M. Hyde, Joel E. Kleinman, Daniel R. Weinberger, Mark Reimers, Richard P. Lifton, Shrikant M. Mane, James P. Noonan, Matthew W. State, Ed S. Lein, James A. Knowles, Tomas Marques-Bonet, Chet C. Sherwood, Mark B. Gerstein, Nenad Sestan. Molecular and cellular reorganization of neural circuits in the human lineage // Science. 2017. V. 358. P. 1027–1032. DOI: 10.1126/science.aan3456.

Александр Марков