Резкий рост размера головного мозга человека по сравнению с родственниками-приматами дорого ему обходится — нейроны вынуждены работать в условиях энергетического стресса. Нейробиологи нашли механизмы их защиты, пишет Nature. Статья об открытии выложена на сервере препринтов bioRxiv.
В центре внимания ученых оказался дофамин — нейромедиатор, ответственный за движение, обучение и эмоции, а точнее — вырабатывающие его нейроны.
Как прямохождение привело к проблемам с коленями и спиной, а развитие челюсти и изменение рациона — к проблемам с зубами, так и быстрый рост мозга в ходе эволюции осложнил работу его клеток, говорит нейробиолог из Калифорнийского университета в Сан-Франциско Алекс Поллен.
У людей требующие дофамина префронтальная кора в 18 раз, а полосатое тело — почти в семь раз обширнее, чем у макак, а дофаминовых нейронов только вдвое больше. Поэтому им приходится растягиваться дальше и работать усерднее — у каждого вырастает свыше двух миллионов синапсов.
Чтобы понять, как дофаминовые нейроны человека могли адаптироваться к неблагоприятным условиям большого мозга, Поллен и его коллеги воспользовались версиями этих клеток в лабораторных условиях.
Они взяли стволовые клетки восьми людей, семи шимпанзе, трех макак и одного орангутана и вырастили из них миниатюрные органоиды. Через 30 дней эти мозгоподобные структуры начали вырабатывать дофамин, имитируя развивающийся мозг.
Затем ученые провели генетическое секвенирование дофаминовых нейронов, чтобы определить, какие гены были включены и как они контролировались. Оказалось, нейроны человека экспрессируют более высокие уровни генов, которые защищают от окислительного стресса — неизбежного следствия энергоемкого процесса производства дофамина. Эти гены кодируют ферменты, которые нейтрализуют активные формы кислорода, способные нанести вред клеткам.
Чтобы убедиться в верности наблюдений и, самое главное, сделанных на их основе выводах, экспериментаторы обработали органоиды пестицидом. В ответ человеческие нейроны усилили выработку нейротрофического фактора мозга BDNF, нехватка которого считается причиной болезни Паркинсона и ей подобных нейродегенеративных расстройств. Нейроны шимпанзе никак не отреагировали.
Клетки органоидов аналогичны нейронам развивающегося эмбриона, поэтому ученые намерены продолжить исследования, чтобы изучить механизмы защиты зрелых и стареющих нейронов. Тем более что «дегенеративные заболевания, которые поражают эти клетки, обычно возникают в позднем возрасте», пояснил Андре Соуза, нейробиолог Висконсинского университета в Мадисоне.