Moderne mennesker genererer flere hjerneneuroner end neandertalere

Spørgsmålet om, hvad der gør moderne mennesker unikke, har længe været en drivkraft for forskere. Sammenligninger med vores nærmeste slægtninge, neandertalerne, giver derfor fascinerende indsigter. Stigningen i hjernestørrelse og i neuronproduktion under hjernens udvikling anses for at være vigtige faktorer for de øgede kognitive evner, der opstod under menneskets evolution. Mens både neandertalere og moderne mennesker udvikler hjerner af lignende størrelse, vides der meget lidt om, hvorvidt moderne menneskelige og neandertalere hjerner kan have adskilt sig med hensyn til deres neuronproduktion under udvikling.

Forskere fra Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG) i Dresden viser nu, at den moderne menneskelige variant af proteinet TKTL1, som kun adskiller sig med en enkelt aminosyre fra Neandertal-varianten, øger én type hjernestamfader celler, kaldet basal radial glia, i den moderne menneskelige hjerne. Basale radiale gliaceller genererer størstedelen af ​​neuronerne i den udviklende neocortex, en del af hjernen, der er afgørende for mange kognitive evner. Da TKTL1-aktiviteten er særlig høj i frontallappen af ​​den føtale menneskelige hjerne, konkluderer forskerne, at denne enkelte menneskespecifikke aminosyresubstitution i TKTL1 ligger til grund for en større neuronproduktion i den udviklende frontallap i neocortex hos moderne mennesker end neandertalere.

Kun et lille antal proteiner har forskelle i rækkefølgen af ​​deres aminosyrer - proteinernes byggesten - mellem moderne mennesker og vores uddøde slægtninge, neandertalerne og denisovanerne. Den biologiske betydning af disse forskelle for udviklingen af ​​den moderne menneskelige hjerne er stort set ukendt. Faktisk har både moderne mennesker og neandertalere en hjerne, og især en neocortex, af lignende størrelse, men om denne lignende neocortex-størrelse indebærer et tilsvarende antal neuroner, er stadig uklart.

Den seneste undersøgelse af forskergruppen af ​​Wieland Huttner, en af ​​grundlæggerne af Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG) i Dresden, udført i samarbejde med Svante Pääbo, direktør ved Max Planck Institute for Evolutionær antropologi i Leipzig og Pauline Wimberger fra universitetshospitalet i Dresden og deres kolleger behandler netop dette spørgsmål.

Forskerne fokuserer på et af disse proteiner, der præsenterer en enkelt aminosyreændring i stort set alle moderne mennesker sammenlignet med neandertalere, proteinet transketolase-lignende 1 (TKTL1). Specifikt hos moderne mennesker indeholder TKTL1 en arginin i den pågældende sekvensposition, hvorimod det i Neandertal TKTL1 er den relaterede aminosyre lysin. I den føtale humane neocortex findes TKTL1 i neocorticale progenitorceller, de celler, hvorfra alle corticale neuroner stammer. Navnlig er niveauet af TKTL1 højest i progenitorcellerne i frontallappen.

Moderne menneskelig TKTL1, men ikke Neandertal TKTL1, fører til flere neuroner i embryonal mus neocortex

Anneline Pinson, hovedforfatteren af ​​undersøgelsen offentliggjort i Science og forsker i gruppen af ​​Wieland Huttner, satte sig for at undersøge betydningen af ​​denne ene aminosyreændring for neocortex udvikling. Anneline og hendes kolleger introducerede enten det moderne menneske eller den neandertalske variant af TKTL1 i neocortex af museembryoner.

De observerede, at basale radiale gliaceller, den type neokortikale stamceller, der menes at være drivkraften for en større hjerne, steg med den moderne menneskelige variant af TKTL1, men ikke med Neandertal-varianten. Som en konsekvens heraf indeholdt hjernen af ​​museembryoner med det moderne menneskelige TKTL1 flere neuroner.

Flere neuroner i frontallappen hos moderne mennesker

Herefter undersøgte forskerne relevansen af ​​disse effekter for menneskelig hjerneudvikling. Til dette formål erstattede de argininen i moderne menneskelig TKTL1 med lysin, der er karakteristisk for Neandertal TKTL1, ved hjælp af menneskelige hjerneorganoider - miniature organlignende strukturer, der kan dyrkes fra menneskelige stamceller i cellekulturskåle i laboratoriet, og som efterligner aspekter af tidlig menneskelig hjerneudvikling.

"Vi fandt ud af, at med Neandertal-typen af ​​aminosyre i TKTL1 blev der produceret færre basale radiale gliaceller end med den moderne mennesketype og som en konsekvens også færre neuroner," siger Anneline Pinson. "Dette viser os, at selvom vi ikke ved, hvor mange neuroner neandertalerhjernen havde, kan vi antage, at moderne mennesker har flere neuroner i hjernens frontallap, hvor TKTL1-aktiviteten er højest, end neandertalere."

Forskerne fandt også ud af, at moderne menneskelig TKTL1 virker gennem ændringer i stofskiftet, specifikt en stimulering af pentosephosphat-vejen efterfulgt af øget fedtsyresyntese. På denne måde menes det moderne menneskelige TKTL1 at øge syntesen af ​​visse membranlipider, der er nødvendige for at generere den lange proces af basale radiale gliaceller, som stimulerer deres spredning og derfor øger neuronproduktionen.

"Denne undersøgelse antyder, at produktionen af ​​neuroner i neocortex under fosterudviklingen er større hos moderne mennesker, end den var hos neandertalere, især i frontallappen," opsummerer Wieland Huttner, der overvågede undersøgelsen. "Det er fristende at spekulere i, at dette fremmede moderne menneskelige kognitive evner forbundet med frontallappen." + Udforsk yderligere

At tage sig tid gør en forskel:Hjerneudvikling er forskellig mellem neandertalere og moderne mennesker