Префронтальная кора у человека в 18 раз больше, чем у макаки.
Ученые Калифорнийский университет в Сан-Франциско показали, что нейроны человека, отвечающие за выработку дофамина, работают намного интенсивнее, чем аналогичные нейроны приматов. Такая работа необходима, чтобы обеспечить в первую очередь префронтальную кору.
У человека развился непропорционально большой мозг по сравнению с нашими сородичами-приматами, но за это «усовершенствование» пришлось заплатить. Наши нейроны, по крайней мере те, что производят дофамин, вынуждены работать на износ.
Ученые, исследующие этот компромисс, обнаружили уникальные генетические особенности, которые показывают, как клетки человеческого мозга справляются со стрессом, связанным с поддержанием работы большого мозга. Эта работа может открыть новые направления исследований таких заболеваний, как болезнь Паркинсона и шизофрения.
Исследование, опубликованное на сервере препринтов bioRxiv, посвящено нейронам, вырабатывающим нейромедиатор дофамин, который имеет решающее значение для движения, обучения и обработки эмоциональных сигналов.
Сравнив тысячи выращенных в лаборатории дофаминовых нейронов человека, шимпанзе, макаки и орангутанга, исследователи обнаружили, что в дофаминовых нейронах человека работает больше генов, которые повышают активность антиоксидантов, снижающих повреждения, чем в нейронах других приматов.
Напряженные нейроны
Как вертикальная ходьба привела к проблемам с коленями и спиной, а изменения в строении челюсти и диете — к проблемам с зубами, так и быстрое расширение человеческого мозга в ходе эволюции создало проблемы для его клеток, говорит соавтор исследования Алекс Поллен, нейробиолог из Калифорнийского университета в Сан-Франциско: «Мы предположили, что может здесь происходить тот же процесс, и именно дофаминовые нейроны — это те самые уязвимые суставы».
Используя инструмент визуализации, Поллен и его коллеги показали, что две области мозга, нуждающиеся в дофамине, у людей значительно больше, чем у макак. Префронтальная кора — в 18 раз больше, а стриатум — почти 7 раз.
Однако у человека всего в два раза больше дофаминовых нейронов, чем у приматов, говорит Поллен. Поэтому в более крупном и сложном человеческом мозге этим нейронам приходится работать гораздо интенсивнее — каждый из них образует более двух миллионов синапсов.
Чтобы понять, как человеческие дофаминовые нейроны могли приспособиться к требованиям большого мозга, Поллен и его коллеги вырастили версии этих клеток в лаборатории.
Они объединили стволовые клетки, которые могут развиваться во множество типов клеток, от восьми человек, семи шимпанзе, трех макак и одного орангутана и вырастили их в миниатюрные структуры, похожие на мозг, называемые органоидами. Через 30 дней эти структуры начали вырабатывать дофамин, имитируя развивающийся мозг.
Затем команда провела генетическое секвенирование дофаминовых нейронов, чтобы определить, какие гены были включены.
Нейрон
Анализируя нейроны человека и шимпанзе, исследователи обнаружили, что у нейронов человека гораздо более высокий уровень производительности генов, управляющих окислительным стрессом — типом повреждения клеток, которое может быть вызвано энергоемким процессом производства дофамина. Эти гены кодируют ферменты, которые расщепляют и нейтрализуют реактивные виды кислорода, которые могут нанести вред клеткам.
Чтобы выяснить, могли ли дофаминовые нейроны человека выработать уникальную реакцию на стресс, авторы применили к органоидам пестицид, вызывающий окислительный стресс. Они обнаружили, что нейроны, развившиеся из человеческих клеток, увеличили выработку молекулы, известной как BDNF, которая снижена у людей с нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Паркинсона. В нейронах шимпанзе такой реакции не было.
Но результатам этого исследования ученые пришли к выводу, что крупный мозг человека, особенно развитие префронтальной коры потребовали от дофаминовых нейронов сверхинтенсивной работы. Эти нейроны обычно справляются, пока они молоды, но когда они стареют у них, вероятно, не хватает сил защищаться от постоянного стресса.
