Нейробиологи выяснили, как у человека появилась развитая новая кора мозга

Неокортекс, или новая кора мозга, — относительно молодой набор слоев внешней части головного мозга млекопитающих. Эта кора отвечает за работу ряда сложных когнитивных функций, таких как абстрактное мышление, эмоциональное и социальное взаимодействие, обработка речи, обучение, самосознание и некоторые другие. В основном эти функции характерны для человека как обладателя самого объемного и развитого неокортекса с большим количеством борозд и извилин, увеличивающих площадь поверхности всего мозга.

Однако молекулярные механизмы, управляющие эволюцией неокортекса и приведшие к формированию сложного человеческого мозга, до сих пор в значительной степени не известны. Их открытие может иметь решающее значение для понимания истории развития мозга и потенциального решения связанных с ним проблем. Понимая это, группа ученых из Дрезденского технического университета (Германия) совместно с коллегами из других немецких организаций сравнила развивающийся мозг мышей, горилл и людей.

Для этого исследователи создали из соответствующих стволовых клеток трехмерные структуры, состоящие из нейронов и вспомогательных клеток нервной ткани. Такие органоиды воспроизводят большинство типов клеток развивающегося мозга. Они взаимодействуют, передают сигналы и устроены так же, как в реальном мышином или человеческом мозге, что делает их идеальным объектом исследований.

Иммунофлуоресценция тканей мышиного и человеческого неокортекса (слева), а также органоидов мозга гориллы и человека (справа) / © Paula Cubillos et al, EMBO Journal (2024)

Внимание нейробиологов привлек специфический белок эпирегулин. Он участвует в регуляции пролиферации (делении), дифференциации (специализации) и гибели клеток во многих процессах — начиная с образования новых кровеносных сосудов и заканчивая развитием различных видов рака. Оказалось, эпирегулин также стимулирует деление и распространение стволовых клеток в развивающемся неокортексе человека, обеспечивая разрастание ткани и увеличение его объема.

Проследив за эволюцией гена EREG, который кодирует этот белок, команда ученых выяснила, что ген не уникален для человека, присутствует у других приматов и даже у мышей. Однако по какой-то причине у мышей этот ген постоянно отключен, из-за чего эпирегулин не вырабатывается в их развивающемся мозге, и неокортекс грызунов остается относительно тонким и гладким. 

Краткое схематическое описание результатов нового исследования. Показано, что активный ген EREG, производящий белок эпирегулин, способствует разрастанию неокортекса человека и гориллы, но не мыши, у которой этот ген не активен / © Paula Cubillos et al, EMBO Journal (2024)

Для сравнения исследователи создали органоиды мозга гориллы, где ген EREG работал, производя белок, хоть и в несколько меньших количествах, чем у человека. После дополнительного изучения геномов животных авторы работы нашли 11 областей с генами, которые могут активировать экспрессию EREG у человека и приматов, но не у мышей. Но, по мнению ученых, для более полного понимания межвидовых различий в естественном производстве эпирегулина в развивающемся неокортексе млекопитающих необходимы дополнительные исследования. 

Нейробиологи также сравнили эффект искусственного добавления эпирегулина в органоиды мозга человека, гориллы и мыши. Исследователи обнаружили, что для мозга грызунов и обезьян такая процедура позволила повысить пролиферацию стволовых клеток и увеличить область, соответствующую неокортексу реального головного мозга. Напротив, на человеческий органоид добавление дополнительного количества белка не оказало никакого эффекта, а значит, выявленный механизм разрастания новой коры имеет свои ограничения.

Более подробно результаты исследования изложены в статье, опубликованной в журнале EMBO Journal.