Încă din copilărie, vorbind cu tatăl său neurolog, Alex Pollen a vrut să știe ce a fost diferit în evoluția umana care a dus la formarea unui organ unic si complex – creierul. Creierul nostru este mai mare, în raport cu dimensiunea corpului, fata de creierul altor animale”, însă nu contează numai mărimea când vine vorba de performanțe – „elefanții și balenele au creiere mai mari decât oamenii”, notează Pollen, acum însuși neurolog la Universitatea din California, San Francisco. Comparând anatomia sau chiar genomul oamenilor cu al altor animale, nu au fost descoperite decât puține dintre schimbările genetice și de dezvoltare care ne-au trimis creierul pe o cale atât de diferită.

Geneticienii au identificat câteva diferențe cheie în genele oamenilor și maimuțelor, precum o versiune a genei FOXP2 care permite oamenilor să articuleze cuvinte. Dar, modul în care variantele umane ale acestor gene ne modelează dezvoltarea creierului – și cum au condus la evoluția sa, rămâne in mare parte un mister. „Am fost puțin frustrați să lucrăm atât de mulți ani cu instrumentele clasice”, spune neurogeneticianul Simon Fisher, director al Institutului Max Planck pentru psihologie din Nijmegen, Olanda, care studiază gena FOXP2.

Acum, cercetătorii implementează noi instrumente pentru a înțelege mecanismele moleculare din spatele caracteristicilor unice ale creierului nostru. La un simpozion de la Societatea Americana de Genetica Omului, s-a discutat atât activitatea genetică a unei singure celule neuronale precum și activitatea de ansamblu pentru a înțelege modul în care genele stimulează conexiuni intre regiunile de creier de departe. Pollen și echipa sa experimentează cu „organoizi” ai creierului, „mici bule structurate de țesut crescut în laborator, pentru a detalia mecanismele moleculare care guvernează plierea și creșterea creierului uman embrionar. „In trecut eram limitati doar la observarea datelor secvențiale și la catalogarea diferențelor față de alte primate”, spune Fisher, care a ajutat la organizarea sesiunii. „Acum, avem aceste noi instrumente interesante care ne ajută să înțelegem care gene sunt importante”.

Organoizi sau „Mini creiere” – crescute in laborator, F. MORA-BERMÚDEZ ET AL., ELIFE, 10.7554/ELIFE.18683, 2016; ELIZABETH DI LULLO/KRIEGSTEIN LAB

Cele mai multe dintre discuții s-au axat pe dezvoltarea cortexului cerebral, stratul exterior cu circumvoluțiuni al creierului, care orchestrează funcții cognitive superioare, cum ar fi memoria, atenția, conștiința, limbajul și gândirea. Cortexul uman este special, cu de trei ori mai multe celule decât cimpanzeii, și pliuri mai adânci care ajută mărirea suprafeței cu celule neuronale. Aceste diferențe încep să apară în prima fază a dezvoltării embrionare, dar cercetătorii cunosc puține despre genele care moduleaza această transformare și despre moleculele pe care le codifică.

În discuția sa, Wieland Huttner, neurobiolog de dezvoltare la Institutul Max Planck de Biologie și Genetică Moleculara (MPI-CBG) din Dresda, Germania, a explicat cum echipa lui au căutat baze de date pentru proteine ​​și alte molecule exprimate de catre genele din creierului uman în aceste faze inițiale de dezvoltare embrionara. Aceștia au descoperit peste trei proteine ​ în matricea extracelulară care înconjoară dezvoltarea celulelor în țesutul cerebral fetal. Când au adăugat aceste proteine ​​la culturile țesutului cerebral din fetușii umani avortați, țesutul rezultat formeaza pliuri, la fel ca și în cazul fetusilor umani la aproximativ 20 de săptămâni de gestație.

Mai mult, Katie Long, MPI-CBG, a observat că cele trei proteine ​​s-au pliat numai după ce au fost grupate cu o altă moleculă complexă de glican numită acid hialuronic. Această moleculă complexă are multe funcții, cum ar fi transportul semnalelor între celule și stimularea creșterii celulare, motiv pentru care este folosit în cremele de față. Deși cercetătorii știau că acidul hialuronic apare în țesutul neural, ei nu știau că a jucat un rol atât de important în dezvoltarea creierului uman.”Au identificat moleculele cheie care facilitează plierea corticală”, spune neurologul Louis Reichardt, director al Fundației Simons Autism Research Initiative din New York City.

Lucrând cu paleontologul Svante Pääbo și chimistul biofizic Barbara Treutlein, ambii din cadrul Institutului Max Planck pentru Antropologie Evoluează din Leipzig, Germania, echipa lui Huttner crește organoizi ai creierului, mici fragmente de țesut care se dezvoltă în cultură într-un mod care seamănă cu un creier embrionar. Cercetătorii au recoltat celulele albe din sânge de la oameni și maimuțe, pentru formarea de celule stem, din care au rezultat organoizi. Organoizii cresc timp de câteva săptămâni – uneori până la un an – permițând cercetătorilor să compare creșterea și să identifice unde apar diferențele dintre specii. „Organoizii sunt foarte puternici pentru că nu puteți obține țesut fetal de creier de cimpanzeu”, deoarece aceștia sunt o specie pe cale de dispariție, spune Huttner.

Organoizii de la maimuțe și oameni au crescut în moduri remarcabil de asemănătoare. Toate au format aceleași tipuri de celule stem, care dau naștere unor celule „progenitoare” care, la rândul lor, se împart în neuroni și, eventual, se organizează în șase straturi de țesut cerebral. Dar, când cercetătorii au folosit microscopia electronica pentru a urmări dezvoltarea organoizilor de 4 milimetri, au observat ca celulele progenitoare umane au crescut cu 50% mai mult decat cele ale celorlalte maimuțe, pentru a le asigura cromozomii înainte de a se despărți în celulele fiice. Celulele umane păreau să investească mult mai mult timp în faza de diviziune celulară numită metafază. Într-un fel, această prelungire a metafazei la începutul dezvoltării pare să dea naștere mai multor celule progenitoare, spune Huttner.

Alți cercetători încearcă să găsească o explicație in ceea ce privește circuitul electric al creierului uman. Neurologul Fenna Krienen de la Școala Medicală Harvard din Boston a folosit RMN-un funcțional (RMNf) la 1000 de persoane pentru a arăta că creierul uman face conexiuni sinaptice pe distanțe mari în cortexul cerebral. Neuronii de la rude, în schimb, limitează legăturile lor cu zonele din apropiere. Krienen a emis ipoteza că, pe măsură ce cortexul uman s-a extins în cursul evoluției, acesta s-a reorganizat pentru a permite legături mai complexe între regiuni.

De atunci, Krienen face un inventar al celulelor din anumite straturi ale neocortexului. Anul trecut, ea și colegii ei au legat rezultatele RMNf cu genele țesutului cerebral la șase adulți. Ei au raportat că 19 gene au fost exprimate în aceleași regiuni subiacente precum conexiunile corticale dezvăluite de RMNf. La șoareci, aceste gene sunt exprimate mai devreme în dezvoltare, în alte straturi corticale. Se pare că, uneori, pe parcursul evoluției primatelor și a evoluției umane, aceste gene au fost programate să devină active mai târziu în dezvoltare.

Acum, Krienen folosește o nouă metodă de analiză cu celule unice, dezvoltată în laboratorul lui Steve McCarroll de la Harvard (unde este acum un post-doctorand), pentru a rafina aceste rezultate din straturi de țesut în celule individuale. Krienen observa toate genele – inclusiv pe cele originale 19 și multe altele – exprimate de fiecare celulă din regiunile conectate. Ea speră să identifice care gene sunt exprimate în fiecare tip de celulă atunci când celulele creierului fac conexiuni la distanțe lungi și să facă hărți asemănătoare în alte primate pentru a schimba ceea ce sa schimbat pe măsură ce creierele au fost reluate pe parcursul evoluției.

În afară de importanța lor din punct de vedere al evoluției, aceste studii au implicații asupra cercetării privind tulburările psihice. Deoarece conexiunile au proliferat în creier, au apărut mai multe oportunități pentru conexiuni pierdute. Autismul și alte tulburări psihice specifice pot fi cauzate în parte de „circuite specifice sau regiuni ale creierului care au avut probleme cu conectivitatea”, spune Krienen.

Deși acest domeniu este încă la început, deja este clar că mai mult de una sau două gene au sculptat creierul uman unic, spune co-organizatorul simpozionului Evan Eichler, genetician la Universitatea Washington din Seattle. „Este un concert de zeci de evenimente în evoluția umana care a culminat cu acest organ uimitor”, spune el.

 

Articol tradus și adaptat de pe sciencemag.org

Please follow and like us:
https://i1.wp.com/liber-cugetatori.ro/wp-content/uploads/2017/11/20170428-Organoids844.jpg?fit=844%2C570https://i1.wp.com/liber-cugetatori.ro/wp-content/uploads/2017/11/20170428-Organoids844.jpg?resize=150%2C150sabinariddleevoluțienoutăți@liber cugetator,@liber-cugatatori,#genetica,#liber,#liber-cugetatori,#liber-cugetatori Romania,#liber-cugetatoriRomania,#libercugetator,#libercugetatori,evolutie,mini-creiere,organoiziÎncă din copilărie, vorbind cu tatăl său neurolog, Alex Pollen a vrut să știe ce a fost diferit în evoluția umana care a dus la formarea unui organ unic si complex - creierul. Creierul nostru este mai mare, în raport cu dimensiunea corpului, fata de creierul altor animale', însă...Pentru cei care știu să gândească singuri