Живі «міні-мізки» неандертальців розкажуть, що робить наш мозок особливим

Він виділив ДНК з єгипетських мумій. Він відкрив денисовских людей, вимерлий вид стародавньої людини, секвенировав ДНК з маленького фрагмента кістки. Він керував великим дослідженням по відновленню генома неандертальця — і знайшов сліди їх генів, які до цих пір ховаються в деяких з нас сьогодні. Тепер шведський генетик лікар Сванте Паабо знову хоче перевернути палеонтологию догори дном — цього разу він планує виростити стовбурові клітини неандертальців в крихітних органоидах мозку в пробірці.

В його планах немає повного відновлення мозку неандертальця в чані — скоріше, він хоче використовувати редагування генів, щоб дати людських стовбурових клітин кілька варіантів генів, виявлених у неандертальців. Ці відредаговані стовбурові клітини потім поміщаються в невеликі осередки мозку, що імітують розвиток мозку у плода, в комплекті з їх власними кровоносними судинами, нейронними мережами і функціонують синапсами.

Порівнюючи зростання неандертализированных міні-мізків з мозком людини, Паабо сподівається виділити генетичні фактори, які роблять нас такими особливими.

«Неандертальці були розумними, як і інші ссавці. Вони не виходили в океан, якщо не бачили іншого берега», говорить Паабо. «Але для мене найбільший питання в історії людства звучить так: чому ми стали настільки відчайдушними?».

Революція ДНК

Палеонтологи давно задавалися питанням, як еволюція зліпила наші дивовижні мізки. Порівнюючи нашу генетику з генетикою наших найближчих родичів-мавп, генетики копітко виділили жменьку критично різних генів. Наприклад, невеликі мутації в FOXP2, мабуть, лежать в основі нашої здатність формувати складні фонеми і слова. Деякі навіть вважають, що FOXP2 — це ключове біологічна перевага, яке дарує нам наш багатий, насичений мову.

На жаль, порівняння геномів може тільки виявити гени, які відрізняються у людей і мавп — а от як ці гени сформували наш розвиток мозку, це питання залишається без відповіді.

«Раніше ми просто обмежувалися переглядом даних секвенування і каталогізацією відмінностей у інших приматів», нарікає нейрогенетик Саймон Фішер, керівний Інститутом психолінгвістики Макса Планка в Неймегене, Нідерланди. «Ми трохи розчарувалися, працюючи стільки років з традиційними інструментами».

Тепер, завдяки дивним технологій ДНК, все повинно змінитися.

Приблизно тридцять років тому Паабо почав серйозно розглядати радикальну ідею: чи можна витягти ДНК з мертвої тканини? Хоча ДНК відносно стабільна порівняно з іншими биомолекуламии, такими як білки, вона починає швидко розпадатися після смерті. Знаменита подвійна спіраль, ретельно смотанная природою в компактні структури, з плином часу розбивається на все більш короткі фрагменти. Зібрати ці фрагменти назад в єдині структури виявляється надзвичайно складним завданням, але в 1985 році, використовуючи останки 2400-річної мумії, Паабо переконливо показав, що це можна здійснити.

Це відкриття широко відкрило двері палеонтології. Вчені перестали бути пов'язаними традиційної ДНК сучасних, живих видів; у них з'явився потужний інструмент, що дозволяє повернутися назад у часі і вивчити ДНК, втрачену в історії.

Засліплений цим початковим успіхом, Паабо звернувся до неандертальців, таємничої гілки людей, вимерлих більше 30 000 років тому. У 2016 році він опублікував перший повний геном неандертальця, шокувавши вчених і публіку інтригуючим результатом: від 1 до 6 відсотків генів неандертальців були присутні у людей з Європи, Близького Сходу і Далекого Сходу. Іншими словами, в якийсь момент давньої історії наші предки танцювали горизонтальне танго зі своїми неандертальскими кузенами, а ми — прямий наслідок цих танців.

«Неандертальці залишили слід в ДНК живуть сьогодні людей. Це дуже круто. Неандертальці не вимерли повністю», говорив Паабо в той час.

Його відкриття привело до більш широкого питання: якою мірою неандертальці нам родичі? Як і сучасні люди, ці гомініди з широкою щелепою і опуклою надбрівної дуги жили в печерах і малювали на стінах, створювали головні убори і прикрашали свої тіла квітами задовго до того, як нога сучасних людей ступила по Європі. Однак вони вимерли, а люди досягли мільярдної чисельності і розбіглися по всій земній кулі.

Порівнюючи наші геноми, група Паабо визначила кілька регіонів, містять варіації ДНК — зміни, які могли б допомогти людям адаптуватися. Серед них — геномні області, які грають роль в когнітивному розвитку.

Хоча наші дико різні долі можуть бути і не зовсім пов'язані з відмінностями в пізнанні, Паабо вважає, що з цього місця було б непогано почати. І завдяки органоидам мозку тепер він може перевірити свою ідею.

Мозкові кульки

всіх органел мозку називають по-різному: церебральні сфери, міні-мізки, церебральні всіх органел. Вперше придумані в 2013 році, ці химерні кульки або краплі мозку виглядають досить моторошно. Але оскільки їх зростання відображає розвиток людського ембріонального мозку, ці кульки швидко стали улюбленою іграшкою нейробіологів.

Рецепти виготовлення мозкових органоїдів бувають різні, але зазвичай їх роблять зі стовбурових клітин людини. Під ретельним наглядом клітини повільно розвиваються у деформовані шматки тканини мозку за допомогою хімічногосупу. Подібно реальному людському мозку, більшість крапель містять структуру, схожу на кору головного мозку, зморшкуватий зовнішній шар мозку, який організовує когнітивні функції вищого рівня, такі як увага, мова й думка.

після достатньої кількості часу, нейрони всередині мозкових кульок наливаються електричною активністю і підключаються до нейронних мереж, причому деякі сполуки простягаються через весь органоид. Ці мозкові краплі не є «міні-мізками» у тому сенсі, що можуть думати чи відчувати, немає. Але ретельний аналіз їх клітинного складу та експресії генів показав набір функціональних типів нейронних, сукупна робота яких нагадує мозок ембріона другого триместру.

Іншими словами, мозкові кульки — ідеальні кандидати для вивчення розвитку мозку. З моменту свого створення вони використовувалися для імітації аутизму, шизофренії та вивчення впливу вірусу Зіку на мозок плоду.

А тепер, завдяки Паабо, вони знайдуть застосування в палеонтології.

Відродження неандертальців

Щоб відновити весь неандертальський геном, ученим довелося б змінити мільйон генів. Ця амбітна мета в даний час неможлива навіть при використанні складних інструментів редагування геному, таких як CRISPR.

Замість грубого редагування всіх неандертальських варіантів в людські стовбурові клітини, Паабо використовує більш тонкий підхід: вводить тільки три ключових гена, які відрізняються у людей і неандертальців, а потім відстежує вплив цих генів на розвиток мозку.

Це перевірений метод.

Кілька років тому, працюючи з Виландом Хаттнером, нейробіологом Інституту молекулярної клітинної біології і генетики Макса Планка, команда виростила мозкові всіх органел, використавши лейкоцити людини і інших приматів. Краплі мозку розвивалися кілька тижнів, дозволяючи вченим порівнювати і зіставляти, як відрізняється ріст клітин у різних видів. Використовуючи живу мікроскопію, вчені виявили, що клітини людини стають в півтора рази довше, ніж мавп, щоб вибудувати свої хромосоми перед поділом на дочірні клітини. І це подовження якимось чином допомагає людям генерувати набагато більше нейронних стовбурових клітин, ніж нашим найближчим родичам серед приматів.

Паабо сподівається знайти більше подібних яскравих відмінностей у неандертальських міні-мізків, оскільки вони могли б пояснити, чому сучасні люди перемогли як вид.

«Кращим результатом було б те, що генетичні зміни призводять до більш тривалої або більше розгалуженому зростання нейронів», говорить він. «Можна було б сказати, що це біологічна основа для того, чому наш мозок функціонує інакше».

зрештою, це лише початок вивчення людської унікальності, яке стало можливо тільки зараз.