Как мы, люди, стали тем, чем являемся сегодня, — это вопрос, на который ученые пытались и пытаются ответить многие годы. Как мы развили такие продвинутые когнитивные способности, что привело к сложному языку, поэзии и ракетостроению? Чем современный человеческий мозг отличается от мозга наших ближайших эволюционных родственников, таких как неандертальцы и денисовцы ?
Повторно вводя древние гены таких вымерших видов в человеческий «мини-мозг» — кластеры стволовых клеток, выращенных в лаборатории, которые организуются в крошечные копии человеческого мозга, — ученые начали искать новые ключи к разгадке.
Новые технологичные достижения открыли новые знания
Большая часть того, что мы знаем об эволюции человека, получена благодаря изучению древних окаменелостей и костей. Мы знаем, что неандертальцы и денисовцы отделились от людей около 500 000-600 000 лет назад , и что последние неандертальцы исчезли из Европы примерно 40 000 лет назад.
Исследования также показали, что люди и неандертальцы скрещивались , и что неандертальцы были намного более сложными, чем считалось ранее.
Изучая размер и форму окаменелых черепов, мы также знаем, что мозг архаичных людей был примерно того же размера, что и у современные людей, если не больше, и, похоже, имел разные формы. Однако, хотя такие вариации могут быть связаны с различными когнитивными способностями и функциями, окаменелости не могут сами по себе объяснить, как формы влияют на функции. К счастью, последние технологические достижения открыли новый путь к пониманию того, чем мы отличаемся от наших вымерших родственников.
Черепа: Homo Sapiens (слева) и неандертальца.
Секвенирование древней ДНК позволило ученым сравнить гены неандертальцев и денисовцев с генами современных людей. Это помогло выявить различия и сходства, показав, что мы разделяем большую часть нашей ДНК с неандертальцами и денисовцами.
Тем не менее, в определенных регионах есть варианты генов, которые носят исключительно современные люди. Эти специфичные для человека участки ДНК могут быть ответственны за черты, которые отделяют наш вид от наших вымерших родственников. Понимая, как работают эти гены, мы можем узнать об особенностях, уникальных для современного человека.
Исследования, сравнивающие архаичные и современные последовательности ДНК, выявили различия в генах, важных для функции, поведения и развития мозга, в частности в генах, участвующих в делении клеток и синапсах (которые передают электрические нервные импульсы между клетками). Они предполагают, что человеческий мозг созревает медленнее, чем мозг неандертальца.
В частности, развитие орбитофронтальной коры у младенцев, которая, как считается, участвует в познании более высокого порядка, таком как принятие решений, могло значительно, но неявно измениться после отделения от неандертальцев. Люди также достигают половой зрелости позже, чем их предки, что может помочь объяснить, почему мы живем дольше.
Растущий мозг
Долгое время оставалось неясным, какие эволюционные изменения были наиболее важными. Группа ученых под руководством Алиссон Муотри из Калифорнийского университета в Сан-Диего недавно опубликовала в журнале Science исследование , проливающее свет на этот вопрос.
Они добились этого, выращивая мини-мозг, который с научной точки зрения известен как «органоиды», из стволовых клеток, полученных из кожи. Органоиды мозга не обладают таким же сознанием, как мы — они очень простые и не достигают размеров более пяти или шести миллиметров из-за недостатка кровоснабжения. Но они могут излучать мозговые волны и создавать относительно сложные нейронные сети, реагирующие на свет.
Команда вставила вымершую версию гена, участвующего в развитии мозга, в органоиды, используя получившую Нобелевскую премию технологию CRISPR-Cas9, известную как «генетические ножницы», которая позволяет точно редактировать и манипулировать генами.
Органоид человеческого мозга.
Мы знаем, что старая версия гена присутствовала у неандертальцев и денисовцев, тогда как мутация позже изменила ген на текущую версию, которую несут современные люди.
Созданные органоиды показали несколько отличий. Они расширялись медленнее, чем органоиды человека, и изменили формирование связей между нейронами. Они также были меньше и имели грубую сложную поверхность по сравнению с гладкими и сферическими органоидами современного человека.
Одна ведущая мутация?
Исследование выявило 61 ген, которые различаются между современными и архаичными людьми. Одним из этих генов является NOVA1, который играет важную роль в регулировании активности других генов на раннем этапе развития мозга. Он также играет роль в образовании синапсов.
Ранее было обнаружено, что измененная активность NOVA1 вызывает неврологические расстройства, такие как микроцефалия (приводящая к маленькой голове), судороги, серьезную задержку развития и генетическое нарушение, называемое семейной дизавтономией , что позволяет предположить, что это важно для нормальной функции мозга человека. Версия, которую несут современные люди, имеет изменение в одной букве кода. Это изменение приводит к тому, что продукт гена, белок NOVA1, имеет другой состав и, возможно, другую активность.
Был ли ген, который сделал нас людьми?
При анализе органоидов ученые обнаружили, что архаичный ген NOVA1 изменил активность 277 других генов — многие из них участвуют в создании синапсов и связей между клетками мозга. В результате мини-мозг имел сеть клеток, отличную от таковой у современного человека.
Это означает, что мутация в NOVA1 вызвала существенные изменения в нашем мозгу. Изменение одной буквы кода ДНК, возможно, приведет к новому уровню работы мозга у современных людей. К сожалению, ученые не знают, как именно и почему это произошло.
Команда ученых заявила, что продолжит свое удивительное открытие, исследуя другие 60 генов более подробно, чтобы узнать, что происходит, когда изменяется каждый из них или комбинационно.
Без сомнения, область таких исследований интригующая, поскольку органоиды дают важное представление о мозге этих древних видов. Но исследователи только в начале пути. Манипуляции с одним геном не отражают истинную генетику неандертальцев и денисовцев. Но это все еще может помочь ученым понять, как работают некоторые специфические для человека гены.
