神经外科

新研究发现现代人类比尼安德特人产生更多的大脑神经元

作者:佚名 来源:MedSci梅斯 日期:2022-09-20
导读

         长期以来,是什么使现代人变得独特的问题一直是科学家们的推动力。因此,与我们的近亲尼安德特人(Neandertals)的比较提供了迷人的见解。大脑尺寸的增加,以及大脑发育过程中神经元的产生,被认为是人类进化过程中出现的认知能力提高的主要因素。然而,虽然尼安德特人和现代人的大脑大小相似,但对于现代人和尼安德特人的大脑在发育过程中是否可能在神经元的产生方面有所不同,人们所知甚少。 在一项新的研究中,

关键字:  大脑神经元 

        长期以来,是什么使现代人变得独特的问题一直是科学家们的推动力。因此,与我们的近亲尼安德特人(Neandertals)的比较提供了迷人的见解。大脑尺寸的增加,以及大脑发育过程中神经元的产生,被认为是人类进化过程中出现的认知能力提高的主要因素。然而,虽然尼安德特人和现代人的大脑大小相似,但对于现代人和尼安德特人的大脑在发育过程中是否可能在神经元的产生方面有所不同,人们所知甚少。

        在一项新的研究中,来自德国马克斯-普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所(MPI-CBG)等研究机构的研究人员如今发现,现代人的TKTL1(transketolase-like 1)蛋白变体与尼安德特人的TKTL1变体仅有一个氨基酸的差异,使得在现代人的大脑中增加了一种称为基底放射状胶质细胞(basal radial glia)的脑祖细胞。基底放射状胶质细胞在发育中的新皮层中产生大部分的神经元,而新皮层是大脑的一部分,对许多认知能力至关重要。由于TKTL1在胎儿人脑额叶中的活性特别高,他们得出结论,TKTL1中这种人类特有的单个氨基酸替换导致现代人比尼安德特人在发育中的新皮层额叶中产生更多神经元。相关研究结果发表在2022年9月9日的Science期刊上,论文标题为“Human TKTL1 implies greater neurogenesis in frontal neocortex of modern humans than Neanderthals”。

        只有少数蛋白的氨基酸序列在现代人和我们已灭绝的亲戚---尼安德特人和丹尼索瓦人(Denisovans)---之间存在差异。这些差异对现代人类大脑发育的生物学意义在很大程度上是未知的。事实上,现代人和尼安德特人的大脑---特别是新皮层---的大小相似,但这种相似的新皮层大小是否意味着相似的神经元数量仍不清楚。

        为了解决这一个问题,MPI-CBG创始人之一Wieland Huttner的研究团队与马克斯-普朗克进化人类学研究所主任Svante Pääbo、德累斯顿大学医院的Pauline Wimberger及其同事们合作开展了这项新的研究。

        这些作者专注于其中的一种称为TKTL1的蛋白:与尼安德特人相比,基本上所有的现代人在这种蛋白上都出现了一个氨基酸变化。具体来说,在现代人中,TKTL1在有关的序列位位点上含有一个精氨酸,而在尼安德特人的TKTL1中,这个位点是一个称为赖氨酸的氨基酸。在胎儿的人类新皮层中,TKTL1在新皮层祖细胞中发现,所有皮层神经元都是从这些新皮层祖细胞中产生的。值得注意的是,TKTL1的水平在额叶的新皮层祖细胞中是最高的。

        现代人的TKTL1,而不是尼安德特人的TKTL1,导致胚胎期小鼠新皮层中出现更多的神经元

        论文第一作者、Huttner团队研究员Anneline Pinson着手研究这个氨基酸变化对新皮层发育的意义。Anneline和她的同事们将现代人类的TKTL1变体或尼安德特人的TKTL1变体引入小鼠胚胎的新皮层中。

        TKTL1与古人类皮层神经发生。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abl6422。

        他们观察到现代人类的TKTL1变体让基底放射状胶质细胞---一类被认为是让大脑更大的驱动力的新皮层祖细胞---有所增加,而尼安德特人的TKTL1变体则没有。因此,携带现代人类TKTL1变体的小鼠胚胎的大脑含有更多的神经元。

        现代人额叶中含有更多神经元

        此后,这些作者探讨了这些影响与人类大脑发育的相关性。为此,他们在人类大脑类器官---可以在实验室的细胞培养皿中由人类干细胞培养出来的微型器官样结构,可模拟人类早期大脑发育的各个方面---中用尼安德特人TKTL1特有的赖氨酸取代了现代人TKTL1中的精氨酸。

        Pinson说,“我们发现,在TKTL1中使用尼安德特人特有的赖氨酸时,产生的基底放射状胶质细胞比使用现代人特有的精氨酸要少,因此,产生的神经元也更少。这向我们表明,尽管我们不知道尼安德特人的大脑有多少神经元,但我们可以假设现代人在大脑额叶有比尼安德特人更多的神经元,而TKTL1的活性在大脑额叶中是最高的。”

        这些作者还发现,现代人类的TKTL1通过改变代谢发挥作用,特别是刺激磷酸戊糖途径,然后增加脂肪酸的合成。通过这种方式,现代人类的TKTL1被认为增加了某些膜脂质的合成,这些膜脂质是产生基底放射状胶质细胞的长突起所必需的,所产生的长长突起刺激基底放射状胶质细胞的增殖,因此,增加了神经元的产生。

        Huttner总结说,“这项新研究提示着现代人在胎儿发育期间在新皮层中产生的神经元比尼安德特人更多,特别是在额叶。我们推测,这促进了现代人与额叶相关的认知能力。”(生物谷 Bioon.com)

        参考资料:

        1. Anneline Pinson et al. Human TKTL1 implies greater neurogenesis in frontal neocortex of modern humans than Neandertals. Science, 2022, doi:10.1126/science.abl6422.

        2. Modern humans generate more brain neurons than Neandertals

        https://phys.org/news/2022-09-modern-humans-brain-neurons-neandertals.html

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