Τα «μεταλλαγμένα κουνάβια» φωτίζουν την εξέλιξη του ανθρώπινου εγκεφάλου
Εξερευνώντας την ανάπτυξη του ανθρώπινου εγκεφάλου χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο μεταλλαγμένου κουνάβι, οι επιστήμονες κατά λάθος σκόνταψαν ενδείξεις για την εξέλιξη των μεγάλων εγκεφάλων μας.
Οι άνθρωποι είναι ευλογημένοι με σχετικά μεγάλους εγκεφάλους. Και, κατά τα τελευταία 7 εκατομμύρια χρόνια - σε σύντομο χρονικό διάστημα εξελικτικά - το μέγεθος του εγκεφάλου μας έχει τριπλασιαστεί.
Ο εγκεφαλικός φλοιός, το συνεστραμμένο και διπλωμένο εξωτερικό στρώμα, ισχύει ιδιαίτερα στον άνθρωπο. Ακριβώς γιατί και πώς το μυαλό μας έγινε τόσο καταραμένο φανταχτερό είναι ένα σημείο πολλών συζητήσεων και τα στοιχεία είναι προς το παρόν λιγοστά.
Η εύρεση ενδείξεων για γενετικές και βιολογικές μετατοπίσεις που σημειώθηκαν πριν από εκατομμύρια χρόνια είναι παρόμοια με την αναζήτηση βελόνας σε άχυρα στην άλλη πλευρά του σύμπαντος. Ωστόσο, κάθε τόσο συχνά, η κυρία Serendipity χαμογελά στους επιστήμονες.
Πρόσφατα, ερευνητές από διάφορα ιδρύματα, όπως το Ιατρικό Ινστιτούτο Howard Hughes στο Chevy Chase, MD, το Πανεπιστήμιο Yale στο Νιου Χέιβεν, το CT και το Παιδικό Νοσοκομείο της Βοστώνης στη Μασαχουσέτη, πραγματοποίησαν μια σειρά μελετών σχετικά με τη μικροκεφαλία.
Οι σπουδές τους ήταν καρποφόρες και προχώρησαν στην κατανόηση της μικροκεφαλίας, αλλά μας έφεραν επίσης πιο κοντά σε αυτήν τη βελόνα στο μακρινό άχυρο. Τα ευρήματά τους δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Φύση.
«Είμαι εκπαιδευμένος ως νευρολόγος και μελετώ παιδιά με αναπτυξιακές εγκεφαλικές παθήσεις», εξηγεί ο Δρ Christopher Walsh, από το Παιδικό Νοσοκομείο της Βοστώνης. «Ποτέ δεν πίστευα ότι θα κοίταζα την εξελικτική ιστορία της ανθρωπότητας».
Πώς να ερευνήσετε τη μικροκεφαλία
Τα μωρά με μικροκεφαλία έχουν πολύ μικρότερο κεφάλι από το κανονικό και ο εγκεφαλικός φλοιός τους δεν σχηματίζεται σωστά. Αυτή η κατάσταση είναι συχνά γενετική, αν και πρόσφατα, έχει επίσης συνδεθεί με τον ιό Zika.
Πώς και γιατί ο φλοιός δεν σχηματίζεται σωστά δεν είναι πλήρως κατανοητός. Ένας λόγος για τον οποίο η εξερεύνηση αυτού του θέματος είναι τόσο δύσκολη είναι η έλλειψη ενός καλού μοντέλου. ένα μοντέλο ποντικιού χρησιμοποιείται πιο συχνά, αλλά δεν είναι κατάλληλο για το σκοπό.
Οι εγκέφαλοι του ποντικιού είναι, όπως θα περίμενε κανείς, μικροσκοπικοί. Επίσης, τα ποντίκια δεν απολαμβάνουν την ίδια διαφορετική επιλογή εγκεφαλικών κυττάρων με τους ανθρώπους και ο φλοιός τους είναι πολύ πιο ομαλός.
Το γονίδιο που εμπλέκεται συχνότερα στη μικροκεφαλία είναι αυτό που κωδικοποιεί μια πρωτεΐνη γνωστή ως Aspm. Όταν αυτό το γονίδιο μεταλλαχθεί, ο εγκέφαλος ενός ανθρώπου θα έχει περίπου το μισό του φυσιολογικού μεγέθους.
Ωστόσο, σε ποντίκια χωρίς το γονίδιο - που ονομάζεται ποντίκι νοκ άουτ - οι εγκέφαλοί τους συρρικνώνονται κατά μόλις το ένα δέκατο. Αυτή η μόλις ανιχνεύσιμη αλλαγή είναι ελάχιστη για τους επιστήμονες.
Στο κυνήγι ενός καλύτερου μοντέλου μικροκεφαλίας, οι ερευνητές - με επικεφαλής τον Δρ. Walsh και τον Byoung-Il Bae, από το Πανεπιστήμιο Yale - στράφηκαν σε κουνάβια.
Αυτό μπορεί, στην αρχή, να φαίνεται περίεργη επιλογή ζώου, αλλά έχει νόημα. Τα κουνάβια είναι μεγαλύτερα και έχουν έναν περίπλοκο φλοιό με το ίδιο εύρος τύπων κυττάρων με τους ανθρώπους. Επίσης, όπως τα ποντίκια, αναπαράγονται γρήγορα και ελεύθερα.
Όπως εξηγεί ο Δρ. Walsh, «Από την άλλη πλευρά, τα κουνάβια μπορεί να φαίνονται μια αστεία επιλογή, αλλά αποτελούν σημαντικό μοντέλο για την ανάπτυξη του εγκεφάλου εδώ και 30 χρόνια».
Αν και τα κουνάβια έχουν αποδειχθεί χρήσιμα στο παρελθόν, λίγα είναι γνωστά για τη γενετική των κουνάβων, οπότε η δημιουργία μιας έκδοσης νοκ άουτ Aspm του ζώου θα ήταν δύσκολη. Ο Δρ Walsh, ωστόσο, ήταν απροσδιόριστος. εξασφάλισε χρηματοδότηση και άρχισε να εργάζεται.
Το κουνάβι νοκ άουτ Aspm είναι μόνο το δεύτερο κουνάβι νοκ-άουτ που έχει δημιουργήσει ποτέ η ανθρωπότητα.
Όπως ήταν αναμενόμενο, ο εγκέφαλος των κουνάβων νοκ άουτ Aspm ήταν έως και 40 τοις εκατό μικρότερος από το κανονικό, φέρνοντάς το πολύ πιο κοντά στην ανθρώπινη εκδοχή της μικροκεφαλίας. Και, όπως με την ανθρώπινη μικροκεφαλία, το πάχος του φλοιού ήταν αμετάβλητο.
Μια ένδειξη για την εξέλιξη του εγκεφάλου
Εκτός από το σχεδιασμό ενός νέου και χρήσιμου μοντέλου για την ανθρώπινη μικροκεφαλία, οι επιστήμονες έβαλαν επίσης τα δάχτυλα των ποδιών τους σε ένα πολύ πιο δύσκολο πρόβλημα: πώς εξελίχσαμε τόσο μεγάλους εγκεφάλους;
Διερεύνησαν πώς η απώλεια του Apsm επηρέασε τον εγκέφαλο των κουνάβων με τον τρόπο που το έκανε. Τα ελαττώματα εντοπίστηκαν σε αλλαγές στον τρόπο με τον οποίο συμπεριφέρθηκαν τα ακτινικά γλοιακά κύτταρα.
Τα ακτινικά γλοιακά κύτταρα αναπτύσσονται από νευροεπιθηλιακά κύτταρα, τα οποία είναι τα βλαστικά κύτταρα του νευρικού συστήματος. Αυτά είναι ικανά να εξελιχθούν σε διάφορους τύπους κυττάρων στον φλοιό.
Ξεκινώντας κοντά στις αναπτυσσόμενες κοιλίες του εγκεφάλου, τα ακτινικά γλοιακά κύτταρα κινούνται προς τον σχηματισμό φλοιού. Καθώς αυτά τα κύτταρα κινούνται μακρύτερα από το σημείο εκκίνησης, χάνουν αργά την ικανότητά τους να εξελιχθούν σε διαφορετικούς τύπους εγκεφαλικών κυττάρων.
Η ομάδα διαπίστωσε ότι η έλλειψη Apsm προκάλεσε τα ακτινικά γλοιακά κύτταρα να αποκολληθούν πιο εύκολα από τις κοιλίες και ξεκίνησαν τη μετανάστευσή τους νωρίς.
Μόλις ο χρονισμός ήταν απενεργοποιημένος, η αναλογία ακτινικών γλοιακών κυττάρων προς άλλους τύπους κυττάρων πήγε λοξά, με αποτέλεσμα λιγότερα νευρικά κύτταρα στον φλοιό. Το Apsm ενεργεί ως ρυθμιστής, καλεί πάνω ή κάτω τον συνολικό αριθμό των φλοιών νευρώνων. Και, εδώ βρίσκεται η ένδειξη της εξέλιξης του ανθρώπινου εγκεφάλου.
«Η φύση έπρεπε να λύσει το πρόβλημα της αλλαγής του μεγέθους του ανθρώπινου εγκεφάλου χωρίς να χρειάζεται να ξανασχεδιάσει το όλο θέμα».
Μπάουνγκ-Ιλ Μπέι
Το Apsm μεταβάλλει την ανάπτυξη του εγκεφάλου με αυτόν τον τρόπο επηρεάζοντας τη λειτουργία των centrioles ή των κυτταρικών δομών που εμπλέκονται στην κυτταρική διαίρεση. Χωρίς Apsm, οι centrioles δεν κάνουν τη δουλειά τους σωστά.
Πρόσφατα, μερικά γονίδια που εμπλέκονται στη ρύθμιση των πρωτεϊνών των centriole, συμπεριλαμβανομένου του Apsm, έχουν υποστεί εξελικτικές αλλαγές. Ο Δρ Walsh πιστεύει ότι μπορεί να είναι αυτά τα γονίδια που μας ξεχωρίζουν από τους χιμπατζήδες, ή τα μακρινά ξαδέλφια μας τους Νεάντερταλ.
«Είναι λογικό αναδρομικά», λέει ο Δρ Walsh. "Τα γονίδια που ένωσαν το μυαλό μας κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης πρέπει να ήταν τα γονίδια που η εξέλιξη τροποποίησε για να κάνει τους εγκεφάλους μας μεγαλύτερους."
Με την αλλαγή αυτού του γονιδίου, η μετανάστευση των ακτινικών γλοιακών κυττάρων μπορεί να αλλάξει και ο φλοιός να μεγαλώσει. Αυτές οι μελέτες παρέχουν ένα νέο μοντέλο για τη μικροκεφαλία και μια νέα εικόνα για την προέλευση του διογκωμένου εγκεφάλου μας.
