Molekylært atlas af en australsk dragehjerne kaster nyt lys over mere end 300 millioner års hjerneudvikling

I disse dage holder drager "Game of Thrones"-fans på tæerne. Men de giver også vigtig indsigt i hvirveldyrs hjerneudvikling, som afsløret af Max Planck-forskernes arbejde på hjernen af ​​den australske skæggede drage Pogona vitticeps. Hvirveldyrs evolution tog en stor drejning for 320 millioner år siden, da tidlige tetrapoder (dyr med fire lemmer) gik over fra vand til land, hvilket til sidst gav anledning til tre store klader:krybdyrene, fuglene (en udløber af krybdyret) og pattedyrene. På grund af fælles herkomst deler hjernen hos alle tetrapoder en lignende basal arkitektur etableret under tidlig udvikling.

Alligevel er det uklart, hvordan variationer af denne almindelige "Bauplan" bidrog til kladespecifikke attributter. Neurovidenskabsmænd ved Max Planck Institute for Brain Research i Frankfurt tacklede dette spørgsmål ved at generere et molekylært atlas over dragehjernen og sammenligne det med et fra mus. Deres resultater tyder på, at i modsætning til populær tro på, at en pattedyrshjerne består af en gammel "krybdyr" hjerne suppleret med nye pattedyrstræk, udviklede både krybdyrs- og pattedyrshjerner deres egne kladespecifikke neurontyper og kredsløb fra et fælles forfædres sæt.

"Neuroner er de mest forskelligartede celletyper i kroppen. Deres evolutionære diversificering afspejler ændringer i de udviklingsprocesser, der producerer dem og kan drive ændringer i de neurale kredsløb, de tilhører," siger prof. Gilles Laurent, direktør ved Max Planck Instituttet for Brain Research, der ledede den nye undersøgelse offentliggjort i Science .

"For eksempel fungerer adskilte hjerneområder ikke isoleret, hvilket tyder på, at udviklingen af ​​indbyrdes forbundne regioner, såsom thalamus og hjernebarken, på en eller anden måde kan være korreleret. Også et hjerneområde hos krybdyr og pattedyr, der stammer fra en fælles forfædres struktur kunne have udviklet sig på en sådan måde, at den forbliver forfædres i den ene klade i dag, mens den er 'moderne' i den anden. Omvendt kan det være, at begge klader nu indeholder en blanding af fælles (gamle) og specifikke (romaner) neurontyper. Det er den slags spørgsmål, som vores eksperimenter forsøgte at løse," tilføjer Laurent.

Mens traditionelle metoder til at sammenligne udviklingsregioner og projektioner i hjernen ikke har den nødvendige opløsning til at afsløre disse ligheder og forskelle, tog Laurent og hans team en cellulær transkriptomisk tilgang. Ved at bruge en teknik kaldet enkeltcellet RNA-sekventering, der detekterer en stor del af de RNA-molekyler (transkriptomer), der er til stede i enkeltceller, genererede forskerne et celletypeatlas af hjernen på den australske skæggede drage Pogona vitticeps og sammenlignede det med eksisterende mus. hjernedatasæt.

Transkriptomiske sammenligninger afslører delte klasser af neurontyper

"Vi profilerede over 280.000 celler fra Pogonas hjerne og identificerede 233 forskellige typer neuroner," forklarer David Hain, kandidatstuderende i Laurent Lab og medforfatter af undersøgelsen. "Beregningsmæssig integration af vores data med musedata afslørede, at disse neuroner kan grupperes transkriptomisk i almindelige familier, som sandsynligvis repræsenterer forfædres neurontyper," siger Hain. Derudover fandt han ud af, at de fleste områder af hjernen indeholder en blanding af almindelige (gamle) og specifikke (nye) neurontyper.

Kandidatstuderende Tatiana Gallego-Flores brugte histologiske teknikker til at kortlægge disse celletyper i hele dragehjernen og observerede (blandt andet), at neuroner i thalamus kunne grupperes i to transkriptomiske og anatomiske domæner, defineret af deres forbindelse til andre områder af hjernen. Fordi disse forbundne regioner har haft forskellige skæbner hos pattedyr og krybdyr, hvor en af ​​disse regioner er meget divergerende, viste det sig at være meget interessant at sammenligne thalamus-transkriptomerne for disse to domæner. Faktisk afslørede det, at transkriptomisk divergens matchede målregionernes.

"Dette tyder på, at neuronal transkriptomisk identitet i nogen grad afspejler, i det mindste delvist, en regions lang rækkevidde forbindelse til dens mål. Da vi ikke har hjernen fra gamle hvirveldyr, rekonstruerer hjernens udvikling i løbet af den sidste halve milliard år. vil kræve at sammenkoble meget komplekse molekylære, udviklingsmæssige, anatomiske og funktionelle data på en måde, der er selvkonsistent. Vi lever i meget spændende tider, for det er ved at blive muligt," slutter Laurent. + Udforsk yderligere

Molekylær atlas af skildpadde- og firbenhjerner kaster lys over udviklingen af ​​den menneskelige hjerne