Wat maakt jouw brein anders dan een Neanderthaler?

Wetenschappers hebben een defect in ons DNA ontdekt dat mogelijk heeft bijgedragen aan het scheiden van de geest van onze voorouders van die van Neanderthalers en andere uitgestorven familieleden.

De mutatie, die in de afgelopen honderdduizenden jaren is ontstaan, stimuleert de ontwikkeling van meer neuronen in het deel van de hersenen dat we gebruiken voor onze meer complexe vormen van denken, volgens een nieuw rapport. studie Donderdag gepubliceerd in Science.

“Wat we hebben gevonden is één gen dat er zeker toe bijdraagt ​​dat we mens worden”, zegt Welland Huttner, een neurowetenschapper aan het Max Planck Instituut voor Moleculaire Celbiologie en Genetica in Dresden, Duitsland, en een van de auteurs van het onderzoek.

Het menselijk brein stelt ons in staat om dingen te doen die andere levende wezens niet kunnen, zoals het gebruik van perfecte taal en het maken van complexe plannen voor de toekomst. Al tientallen jaren vergelijken wetenschappers de anatomie van onze hersenen met die van andere zoogdieren om te begrijpen hoe die geavanceerde vermogens evolueerden.

Het meest voor de hand liggende kenmerk van het menselijk brein is zijn grootte – vier keer zo groot als chimpansees, onze naaste levende verwant.

Onze hersenen hebben ook duidelijke anatomische kenmerken. Het gebied van de cortex achter onze ogen, bekend als de frontale kwab, is essentieel voor enkele van onze meest complexe gedachten. volgens Studie uit 2018bevat de menselijke frontale kwab veel meer neuronen dan hetzelfde gebied bij chimpansees.

Maar het vergelijken van mensen met levende apen heeft een ernstige tekortkoming: onze meest recente gemeenschappelijke voorouder leefde bijna zeven miljoen jaar geleden met chimpansees. Om in te vullen wat er sindsdien is gebeurd, hebben wetenschappers zich moeten wenden tot de fossielen van onze meest recente voorouders, de mensachtigen.

Na onderzoek van de schedels van mensachtigen, ontdekten paleoantropologen dat de hersenen van onze voorouders Een aanzienlijke stijging Een grootte die ongeveer twee miljoen jaar geleden begon. Ze bereikten ongeveer 600.000 jaar geleden de grootte van levende mensen. Neanderthalers, een van onze naaste uitgestorven verwanten van mensachtigen, hadden hersenen zo groot als de onze.

Maar de hersenen van Neanderthalers waren langwerpig, terwijl mensen een Meer bolvormig. De oorzaak van deze verschillen kunnen wetenschappers niet achterhalen. Een mogelijkheid is dat verschillende delen van de hersenen van onze voorouders in grootte zijn veranderd.

In de afgelopen jaren zijn neurowetenschappers begonnen met het onderzoeken van oude hersenen met een nieuwe bron van informatie: stukjes DNA die zijn bewaard in fossielen van mensachtigen. Genetici hebben hele genomen van Neanderthalers Evenals hun oosterse neven, denisovamensen.

Wetenschappers hebben zich gericht op mogelijk cruciale verschillen tussen onze genomen en de genomen van Neanderthalers en Denisovans. Menselijk DNA bevat ongeveer 19.000 genen. De eiwitten die door die genen worden gecodeerd, komen meestal overeen met die van Neanderthalers en Denisovans. Maar de onderzoekers ontdekten 96 mensspecifieke mutaties die de structuur van het eiwit veranderden.

In 2017 bekeek Anneline Pinson, een onderzoeker in het laboratorium van Dr. Huttner, deze lijst met mutaties en merkte een mutatie op die een gen genaamd TKTL1 veranderde. Wetenschappers weten dat TKTL1 actief wordt in de zich ontwikkelende menselijke cortex, met name in de frontale kwab.

“We weten dat de frontale kwab belangrijk is voor de cognitieve functie,” zei Dr. Benson. “Dus dat was een goede hint dat hij een interessante kandidaat zou kunnen zijn.”

Dr. Benson en collega’s voerden voorlopige experimenten uit met TKTL1 bij muizen en knaagdieren. Nadat ze de menselijke versie van het gen in de hersenen van zich ontwikkelende dieren hadden geïnjecteerd, ontdekten ze dat het de muizen en knaagdieren ertoe aanzette meer neuronen te produceren.

Vervolgens voerden de onderzoekers experimenten uit op menselijke cellen, waarbij ze delen van foetaal hersenweefsel gebruikten die verkregen waren met toestemming van vrouwen die een miskraam hadden gehad in een ziekenhuis in Dresden. Gebruik Dr. Benson moleculaire schaar Om het TKTL1-gen af ​​te kappen van cellen in weefselmonsters. Zonder dit produceert menselijk hersenweefsel minder zogenaamde voorlopercellen die aanleiding geven tot neuronen.

In hun laatste experiment wilden de onderzoekers een bestand maken Miniatuur als een Neanderthaler brein. Ze begonnen met een menselijke embryonale stamcel en wijzigden het TKTL1-gen zodat het de menselijke mutatie niet zou hebben. In plaats daarvan droeg het de mutatie die werd aangetroffen bij onze familieleden, waaronder Neanderthalers, chimpansees en andere zoogdieren.

Daarna plaatsten ze de stamcel in een bad van chemicaliën waardoor het veranderde in een massa zich ontwikkelend hersenweefsel, een hersenorganoïde genaamd. Het genereerde originele hersencellen, die vervolgens een miniatuur hersenschors produceerden die bestond uit lagen neuronen.

De Neanderthaler-achtige hersenorganoïde maakte minder neuronen dan de organoïde met de menselijke versie van TKTL1. Dit geeft aan dat wanneer het TKTL1-gen is gemuteerd, onze voorouders extra neuronen in de frontale kwab kunnen produceren. Hoewel deze verandering de totale omvang van onze hersenen niet heeft vergroot, heeft deze mogelijk de bedrading gereorganiseerd.

“Dit is echt een krachtreis”, zegt Laurent Nguyen, een neurowetenschapper aan de Universiteit van Luik in België, die niet betrokken was bij het onderzoek. “Het is opmerkelijk dat zo’n kleine verandering een significante impact heeft op de productie van neuronen.”

De nieuwe ontdekking betekent niet dat TKTL1 op zichzelf het geheim verschaft van wat ons mens maakt. Andere onderzoekers bekijken ook de lijst van 96 eiwitmodificerende mutaties en voeren zelf experimenten uit.

Andere leden van het laboratorium van Dr. Huttner hebben gerapporteerd: in juli Twee andere mutaties veranderen de snelheid waarmee zich ontwikkelende hersencellen delen. afgelopen jaarontdekte een team van onderzoekers van de Universiteit van Californië in San Diego dat een andere mutatie het aantal verbindingen dat menselijke neuronen met elkaar maken lijkt te veranderen.

Andere mutaties kunnen ook belangrijk zijn voor onze hersenen. Naarmate de cortex zich ontwikkelt, moeten individuele neuronen bijvoorbeeld migreren om hun juiste niche te vinden. Dr. Nguyen merkte op dat sommige van de 96 mutaties die uniek zijn voor mensen, veranderde genen zijn die waarschijnlijk betrokken zijn bij celmigratie. Hij speculeert dat onze mutaties ervoor kunnen zorgen dat onze neuronen anders bewegen dan de neuronen in het Neanderthaler-brein.

“Ik denk niet dat dit het einde van het verhaal is”, zei hij. “Ik denk dat er meer werk nodig is om te begrijpen wat ons menselijk maakt in termen van hersenontwikkeling.”