Laboratorijoje užaugintos miniatiūrinės smegenys leido suprasti, kodėl vienų yra didelės, o kitų – mažos

Maždaug prieš 5–8 mln. metų žmonės ir žmogbeždžionės atsiskyrė nuo bendro protėvio. Po kurio laiko žmonių smegenys ėmė didėti. Šiandien mūsų smegenys yra apie tris kartus didesnės už šimpanzių – artimiausios neišnykusios giminingos rūšies, skelbia livescience.com.

Jei paklausite, kuo mūsų smegenys ypatingos, palyginti su kitų žmogbeždžionių smegenimis, akivaizdžiausias atsakymas yra jų dydis, sakė pagrindinė tyrimo autorė Silvia Benito-Kwiecinski, Jungtinės Karalystės (JK) Medicinos tyrimų tarybos molekulinės biologijos laboratorijos podoktorantė. „Natūrali atranka lėmė didesnes smegenis, todėl būtų galima teigti, kad mūsų smegenų dydis yra susijęs su unikaliais kognityviniais gebėjimais“, – pridūrė ji.

Kaip anksčiau rašė „LiveScience“, prieš 11 700–2 600 000 metų žmonių smegenys ėmė sparčiai augti – jų dydis padvigubėjo. Kadangi turime mažai šio laikotarpio fosilijų, mokslininkams nelengva tiksliai pasakyti, kas paskatino smegenų augimą. Kita vertus, naudodami šiuolaikines priemones, galime nustatyti, kuo mūsų smegenų augimo procesai skiriasi nuo žmogbeždžionių.

Kadangi žmonių ir žmogbeždžionių smegenų paviršiaus plotas sparčiai didėja pradiniu vystymosi etapu, mokslininkai buvo iškėlę prielaidą, kad skirtumai atsiranda netrukus po vaisiaus užsimezgimo, kol kamieninės ląstelės dar nevirto smegenų ląstelėmis.

Deja, tebesivystančių žmonių ir žmogbeždžionių smegenų audinių nėra taip paprasta gauti tyrimams atlikti, todėl ankstesnių studijų metu daugiausia buvo orientuojamasi į vėlesnius etapus, kai jau yra susiformavęs neuronų tinklas.

Įvykus lūžiui organoidų technologijoje (organoidai – laboratorijoje auginami organų modeliai), dabar galima patyrinėti ir ankstyvuosius smegenų raidos etapus. Mokslininkai smegenų organoidus augina iš kamieninių ląstelių, galinčių virsti bet kokiomis organizmo ląstelėmis, ir jas perprogramuoja, kad suformuotų į smegenis panašius darinius.

Nors tokie organoidai nėra tikrosios smegenys, bet, kaip kopijos, yra išties įspūdingi. Mokslininkai netgi buvo sukūrę smegenų organoidų, galinčių auginti kraujagysles ar skleisti smegenų bangas.

Naujojo tyrimo metu S. Benito-Kwiecinski laboratorijoje išaugino žmogaus, šimpanzės ir gorilos „mini smegenis“ (tai pirmas kartas, kai buvo sukurtas gorilos smegenų organoidas). Mokslininkų komanda pradėjo nuo trimačių kamieninių ląstelių gumulų, vadinamų embrioidais, atkartojančių ankstyvuosius smegenų vystymosi etapus (praėjus maždaug mėnesiui po vaisiaus užsimezgimo), kol kamieninės ląstelės dar nevirto smegenų ląstelėmis.

Paskui šios ląstelės įterpiamos į gelio matricas ir joms leidžiama suformuoti „pumpurines struktūras“, arba pirmtakines nervines ląsteles – kamienines ląsteles, galiausiai virsiančias smegenų ląstelėmis.

„Šios pirmtakinės nervinės ląstelės yra įdomios todėl, kad galutinis neuronų skaičius priklauso nuo pirmtakinių ląstelių skaičiaus“, – paaiškino S. Benito-Kwiecinski. Kitaip tariant, kuo daugiau pirmtakinių nervinių ląstelių pasidalija, tuo daugiau neuronų susiformuoja. Pirmtakinės nervinės ląstelės yra cilindro formos, tačiau bręsdamos ištįsta ir pasidaro panašesnės į kūgį.

Šios ląstelės dalijasi gerokai lėčiau, palyginti su cilindro formos ląstelėmis, tačiau galiausiai tampa visaverčiais neuronais.

Tyrėjai išsiaiškino, jog, vystantis žmonių smegenims, pirmtakinėms nervinėms ląstelėms prireikia keleto dienų daugiau, kad virstų lėčiau besidalijančiomis ištįsusiomis ląstelėmis, palyginti su šimpanzių ir gorilų pirmtakinėmis nervinėmis ląstelėmis.

„Regis, žmonių smegenys į kitą raidos etapą įžengia vėliau“, – pastebėjo S. Benito-Kwiecinski. Šiuo papildomu laikotarpiu pirmtakinės nervinės ląstelės dalijasi intensyviau nei žmogbeždžionių pirmtakinės nervinės ląstelės, taigi, susidaro daugiau ląstelių, kurios vėliau virsta neuronais, ir todėl žmonių smegenys yra didesnės.

Norėdami suprasti šio reiškinio priežastis, mokslininkai išanalizavo genus, kurie yra aktyvinami ir pasyvinami smegenų organoiduose ankstyvojo vystymosi etapo metu. Jie pamatė, kad genas ZEB2 gorilos smegenų organoide buvo aktyvinamas anksčiau nei žmogaus smegenų organoide. ZEB2 „tikriausiai yra savotiškas ląstelių formos pokyčių proceso reguliatorius“, – sakė S. Benito-Kwiecinski.

Hipotezė pasirodė esanti teisinga: kai mokslininkai užlaikė geno ZEB2 aktyvinimą gorilos smegenų organoido pirmtakinėse nervinėse ląstelėse, jų virtimo ištįsusiomis ląstelėmis procesas truko ilgiau ir buvo panašesnis į žmogaus smegenų organoido pirmtakinių nervinių ląstelių virsmo spartą.

Kai minėtasis genas buvo suaktyvintas anksčiau, rezultatas buvo priešingas: žmogaus smegenų organoido pirmtakinės nervinės ląstelės ėmė bręsti sparčiau, t. y. greičiau įgijo pailgą formą.

Nėra aišku, kada šio geno ekspresija pradėjo keistis žmonėms atsiskyrus nuo žmogbeždžionių. Taip pat nėra žinoma, kokie kiti genai dalyvauja pirmiau aprašytame procese. S. Benito-Kwiecinski su savo komanda tikisi suprasti, kas reguliuoja ZEB2 ekspresiją ir kodėl šis genas žmonių organizme aktyvinamas vėliau nei žmogbeždžionių.

Tyrimas kovo 24 d. buvo paskelbtas žurnale „Cell“.