Международная группа ученых из России, Китая и Германии под руководством профессора Сколтеха Филиппа Хайтовича открыла уникальные особенности работы генов в разных слоях префронтальной коры головного мозга человека по сравнению с мозгом шимпанзе и макаки. Ученые пришли к выводу, что, несмотря на кажущееся сильное сходство анатомии мозга человека и приматов, микроархитектура коры больших полушарий мозга человека претерпела очень значительные изменения в процессе эволюции.

Исследование высокой эффективности когнитивных способностей человека — приоритетная задача медицины и нейробиологии. Но как изменилась функциональная организации мозга человека в эволюции, известно мало.

У человека в ходе эволюции наибольшее развития получила кора больших полушарий, в первую очередь префронтальная кора, которую и исследовали в данной работе. Каждый из шести слоев коры характеризуется особой функциональной ролью в обработке информации, распределением клеток разного типа и организацией связей между ними. На мышах, которых интенсивно используют в лабораторных исследованиях, показано, что работа более 5,000 генов различается между слоями коры. Но для мозга человека систематического анализа работы генов в разных частях коры больших полушарий ранее не проводилось.

В данной работе ученые анализировали РНК на последовательных срезах префронтальной области коры больших полушарий человека, шимпанзе и макаки. В результате было выявлено более 2,320 генов — новых маркеров слоев коры головного мозга, уникальных для человека. Исследования показали, что 367 генов человека стали работать совсем в другом слое коры, по сравнению с шимпанзе. А у шимпанзе, по сравнению с макакой, подобных генов было обнаружено всего 133. Интересно при этом, что времени с момента эволюционного разделения линии макаки и шимпанзе прошло намного больше, чем с момента разделения шимпанзе и человека, а различия максимальны между транскриптомами шимпанзе и человека. Этот факт говорит о существенной реорганизации микроархитектуры префронтальной коры в процессе эволюции человека.

Уникальные особенности работы генов в различных слоях префронтальной коры человека дают большие возможности для разработки новых способов регуляции когнитивных функций человека при нормальном старении и развитии патологий головного мозга.

«Данная работа — создание и анализ больших баз данных о молекулах РНК, выделенных из разных слоев префронтальной коры человека, шимпанзе и макаки — предоставляет ценный ресурс для научного сообщества. Открытие множества новых, человек-специфических маркеров, и переключение экспрессии генов между слоями, характерное для коры больших полушарий человека, стало возможным благодаря использованию высокотехнологичных сравнительно-эволюционных исследований молекулярно-генетических основ когнитивных функций», — говорит Ольга Ефимова, один из первых авторов исследования, сотрудник Сколтеха.

«Иммуногистохимический анализ показал, что уникальные для человека изменения в экспрессии генов затронули не только нейроны, но и широкий спектр других клеток, например, астроциты и микроглию. Это делает очень актуальными результаты недавних исследований, говорящих о критической роли астроцитов и микроглии в интеграции и хранении информации в мозге», — рассказывает Ольга.

Исследовательская группа Филиппа Хайтовича активно занимается поиском молекулярных механизмов, специфичных для эволюционно новых когнитивных способностей человека через интеграцию данных анализа генома, транскриптома, липидома и метаболома, полученных на образцах современного и древнего человека, а также близких видах млекопитающих: шимпанзе, макак и мышей, в сотрудничестве с международными группами ученых из Китая и Германии.

Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Nature Neuroscience.