Мозг приматов отличается не только размерами, но и формой: у человека его поверхность покрыта многочисленными складками, а у некоторых небольших обезьян она остается почти гладкой. Ученые обнаружили, что различия связаны с тем, как развиваются клетки, из которых образуются нейроны. Оказалось, что у обыкновенных игрунок эти клетки делятся медленнее, имеют более простое строение и меньше времени проводят в периоде активного размножения. О том, почему мозг одних приматов покрыт складками, а других остается почти гладким, — в материале «Известий».

Исследователи Немецкого центра приматов в Геттингене изучили развитие мозга обыкновенных игрунок (Callithrix jacchus) — небольших южноамериканских обезьян — и сравнили его с развитием человеческого мозга. Ученые выяснили, что особенности строения мозга этих обезьян связаны сразу с несколькими различиями в работе клеток-предшественников, из которых формируются нервные клетки. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.

У человека поверхность головного мозга покрыта складками и бороздами. Такое строение значительно увеличивает площадь коры, позволяя разместить больше нейронов. У обыкновенных игрунок поверхность мозга почти гладкая, а складки выражены слабо.

При этом в начале развития мозг игрунок имеет типичное строение, характерное для приматов с более крупным и складчатым мозгом. Это означает, что различия возникают по мере дальнейшего развития: производство нервных клеток замедляется, и кора растет не так интенсивно.

Лидия Тынянская, один из первых авторов исследования и аспирантка Немецкого центра приматов

В начале развития мозг обыкновенной игрунки демонстрирует типичную структуру и состав, характерные для крупного мозга приматов со складками. Следовательно, по мере развития должны происходить процессы, которые фактически замедляют производство нервных клеток.

Чтобы разобраться в причинах различий, исследователи сравнили органоиды мозга человека и игрунок — небольшие трехмерные структуры, выращенные из клеток и воспроизводящие некоторые особенности раннего развития мозга. Особое внимание ученые уделили клеткам-предшественникам, которые производят нейроны и тем самым влияют на будущие размеры и форму коры.

Исследование показало, что у игрунок некоторые типы клеток-предшественников делятся значительно медленнее, чем у человека. Другие отличаются более простым строением и имеют меньше отростков. Такие клетки обладают меньшей способностью к размножению, поэтому в ходе развития образуется меньше нервных клеток.

Сесар Матео Бастидас-Бетанкур, один из первых авторов работы

Наши исследования показали, что некоторые клетки-предшественники у обыкновенной игрунки делятся значительно медленнее, чем у человека. Другие клетки-предшественники имеют более простое строение, чем их человеческие аналоги, — у них меньше отростков, и они поэтому менее активно размножаются.

По его словам, оба этих фактора в конечном счете приводят к образованию меньшего количества нервных клеток, что способствует меньшему размеру коры головного мозга игрунок и меньшему количеству складок. Таким образом, различия в строении мозга нельзя объяснить только одним фактором. На его рост одновременно влияют скорость деления клеток и особенности их строения. В совокупности эти процессы ограничивают количество нейронов, которые формируются в ходе развития.

Ученые выявили еще одно различие: у игрунок короче период, в течение которого клетки-предшественники способны быстро размножаться. По сравнению с человеком их клетки раньше выходят из этой фазы активного роста. В сочетании с более медленным делением и менее сложным строением это приводит к тому, что в коре формируется меньше нейронов.

Чтобы проверить результаты, полученные на органоидах, исследователи повторили некоторые ключевые эксперименты на ткани мозга плода игрунки. Такой подход позволил сопоставить наблюдения за выращенными в лаборатории структурами с развитием настоящего мозга.

Михаэль Хайде, руководитель исследовательской группы по развитию и эволюции мозга

В исследовании объединены преимущества методов in vivo и in vitro. Органоиды хорошо подходят для получения статистически надежных результатов, поскольку такие размеры выборок невозможно обеспечить при исследованиях на приматах. Затем мы повторили некоторые ключевые эксперименты на ткани мозга плода, чтобы подтвердить результаты, полученные на органоидах.

Ученые также установили соответствие между развитием лабораторной модели и мозга животного. Органоид мозга игрунки на 50-й день развития соответствовал стадии развития настоящего мозга обезьяны примерно на 90-й день. Это сопоставление помогло точнее интерпретировать результаты: органоиды и мозг животного не обязательно развиваются с одинаковой скоростью.

Результаты исследования показывают, как несколько относительно небольших различий в поведении клеток могут приводить к заметным изменениям в размерах и форме мозга. Если клетки-предшественники производят меньше нейронов и раньше прекращают активно размножаться, кора увеличивается слабее и формирует меньше складок.

Это помогает объяснить разнообразие строения мозга у приматов. У разных видов могут различаться не только размеры мозга, но и темпы развития, продолжительность размножения клеток-предшественников и особенности их строения. Сочетание этих факторов влияет на то, сколько нервных клеток образуется и насколько сильно складчатой становится кора.

Исследование не сводит эволюционные различия к единственному механизму: ученые обнаружили несколько взаимосвязанных клеточных процессов, которые вместе объясняют особенности мозга игрунок. Полученные данные помогают лучше понять, каким образом изменения на клеточном уровне могли участвовать в формировании разнообразных размеров и форм мозга у приматов.