Evoluție: „mini-creierele” crescute în laborator sugerează că o mutație ar fi putut reconstrui mintea umană

Image of a Neanderthal and human brain.
The brains of humans are subtly different from those of Neanderthals. Petr Student/Shutterstock

Modul în care noi, oamenii, am devenit ceea ce suntem astăzi este o întrebare la care oamenii de știință încearcă să răspundă de mult timp. Cum  am dezvoltat astfel de abilități cognitive avansate, dând naștere unui limbaj complex, poeziei și științei rachetelor? În ce fel este creierul uman modern diferit de cel ale celor mai apropiate rude evolutive, cum ar fi neanderthalienii și denisovanienii?

Prin reintroducerea genelor antice din astfel de specii dispărute în „mini-creiere” umane – grupuri de celule stem cultivate într-un laborator care se organizează singure în versiuni minuscule ale creierului uman – oamenii de știință au început să găsească noi indicii.

Cea mai mare parte a ceea ce știm despre evoluția umană provine din studiul fosilelor și oaselor antice. Știm că neanderthalienii și denisovanienii s-au îndepărtat de oameni în urmă cu aproximativ 500.000-600.000de ani și că ultimii neanderthalieni nu au dispărut din Europa până acum aproximativ 40.000 de ani.

Cercetările au arătat, de asemenea, că oamenii și neanderthalienii s-au încrucișatși că neanderthalienii au fost mult mai sofisticați decât se credea anterior.

Din studierea dimensiunii și formei craniilor fosilizate, știm, de asemenea, că, creierele oamenilor arhaici aveau aproximativ aceeași dimensiune ca și craniile umane moderne, dacă nu chiar mai mari, și par a fi avut forme diferite. Cu toate acestea, deși astfel de variații ar putea fi corelate cu diferite abilități și funcții cognitive, fosilele nu pot explica singure modul în care formele afectează funcția. Din fericire, progresele tehnologice recente au oferit o nouă cale de a înțelege modul în care diferim de rudele noastre dispărute.

Homo Sapiens versus Neanderthals. Wikipedia, CC BY-SA

Secvențierea ADN-ului antic a permis oamenilor de știință să compare genele neanderthalienilor și denisovanienilor cu cele ale oamenilor moderni. Acest lucru a ajutat la identificarea diferențelor și asemănărilor, dezvăluind că împărtășim cea mai mare parte a ADN-ului nostru cu neanderthalienii și denisovanienii.

Cu toate acestea, în anumite regiuni, există variante genetice purtate exclusiv de oamenii moderni. Aceste regiuni ADN specifice omului pot fi responsabile pentru trăsăturile care separă specia noastră de rudele noastre dispărute. Prin înțelegerea modului în care funcționează aceste gene, putem învăța, prin urmare, despre trăsăturile care sunt unice pentru oamenii moderni.

Studiile care compară secvențele arhaice și moderne de ADN au identificat diferențe în genele importante pentru funcția, comportamentul și dezvoltarea creierului – în special genele implicate în diviziunea celulară și sinapse (care transmit impulsurile nervoase electrice între celule). Acestea au sugerat că creierul uman se maturizează mai încet decât cel al oamenilor de Neanderthal.

Mai exact, dezvoltarea cortexului orbitofrontal la sugari, despre care se crede că este implicat în cunoașterea de ordin superior cum ar fi luarea deciziilor, s-ar fi putut schimba semnificativ, dar subtil de la separarea de neanderthalieni. Oamenii ajung, de asemenea, la maturitate sexuală mai târziu decât strămoșii lor, ceea ce poate ajuta la explicarea motivului pentru care trăim mai mult.

Creiere în creștere

A fost mult timp neclar care schimbări evolutive au fost cele mai importante. O echipă de oameni de știință condusă de Alysson Muotri de la Universitatea din California, San Diego, a publicat recent un studiu în Science care aruncă o lumină asupra acestei întrebări.

Ei au făcut acest lucru prin cultivarea mini-creierelor – care sunt cunoscute științific ca „organoide” – din celule stem derivate din piele. Organoidele cerebrale nu sunt conștiente în modul în care suntem noi – sunt foarte simple și nu ating dimensiuni mai mari de aproximativ cinci sau șase milimetri, din cauza lipsei alimentării cu sânge. Dar pot emite unde cerebrale și pot dezvolta rețele neuronale relativ complexe care răspund la lumină.

Echipa a introdus o versiune dispărută a unei gene implicate în dezvoltarea creierului în organoide folosind tehnologia CRISPR-Cas9, câștigătoare a premiului Nobel, cunoscută sub numele de „foarfeci genetice”, care permite editarea și manipularea precisă a genelor.

Image of human brain organoid.
Human brain organoid. NIH/Flickr

Știm că vechea versiune a genei a fost prezentă la neanderthalieni și denisovanieni, în timp ce o mutație a schimbat mai târziu gena în versiunea actuală pe care o poartă oamenii moderni.

Organoidele proiectate au prezentat mai multe diferențe. Ele s-au extins mai lent decât organoidele umane și au modificat formarea conexiunilor dintre neuroni. Ele au fost, de asemenea, mai mici și au avut suprafețe dure, complexe în comparație cu organoidele umane moderne netede și sferice.

O mutație de evoluție?

Studiul a identificat 61 de gene care sunt diferite între oamenii moderni și cei arhaici. Una dintre aceste gene este NOVA1, care are un rol esențial în reglarea activității altor gene în timpul dezvoltării timpurii a creierului. De asemenea, joacă un rol în formarea sinapselor.

Alterarea activității NOVA1 a fost găsită răspunzătoare, anterior, pentru  provocarea tulburărilor neurologice, cum ar fi microcefalie (care duce la un cap mic), convulsii, întârziere severă de dezvoltare și o tulburare genetică numită disautonomie familială, sugerând că este importantă pentru funcționarea normală a creierului uman. Versiunea pe care o poartă oamenii moderni are o schimbare într-o singură literă a codului. Această schimbare determină produsul genei, proteina NOVA1, să aibă o compoziție diferită și, eventual, o activitate diferită.

Image of early humans sitting by the fire.
Was there a gene that made us human? Gorodenkoff/Shutterstock

Atunci când au analizat organoidele, oamenii de știință au descoperit că gena arhaică NOVA1 a schimbat activitatea altor 277 de gene – multe dintre ele fiind implicate în crearea de sinapse și conexiuni între celulele creierului. Ca rezultat, mini creierele aveau o rețea diferită de cele ale unui om modern.

Asta înseamnă că mutația din NOVA1 a cauzat schimbări esențiale în creierul nostru. O schimbare într-o singură literă a codului ADN ar putea declanșa un nou nivel de funcționare a creierului la oamenii moderni. Ceea ce nu știm este cum s-a întâmplat exact acest lucru.

Echipa a spus că vor continua cercetarea descoperirii lor fascinante investigând celelalte 60 de gene în detaliu, pentru a vedea ce se întâmplă atunci când este modificată fiecare sau o combinație de mai multe.

Este, fără îndoială, un domeniu intrigant de cercetare, cu organoidele oferind o perspectivă importantă asupra creierele acestor specii antice. Dar suntem doar la început. Manipularea unei singure gene nu va capta adevărata genetică a omului de Neanderthal și Denisovan. Dar i-ar putea ajuta pe oamenii de știință să înțeleagă cum funcționează unele gene specifice omului.