Mozgy zo skúmavky odhaľujú, prečo je ten ľudský výnimočný

Kristína Kocáková

Kľúčový môže byť čas, keď sa mozgové bunky začnú špecializovať, naznačuje nový výskum.

Fungovanie mozgu. Zdroj: iStockphoto.com

Ilustračný obrázok, Zdroj: iStockphoto.com

Neporovnateľný úspech človeka ako zvieracieho druhu sa často pripisuje špeciálnemu mozgu. Čomu vďačí za túto špecifickosť? Ako dokáže riešiť komplikované problémy alebo komplexne komunikovať? 

Vďaka „minimozgom“ vypestovaným v laboratóriu sa vedci dokážu pozrieť na konkrétne fyziologické i genetické zmeny, ktoré za týmito vlastnosťami stoja. 

Sme skutočne až takí iní?

Ľudský mozog je vzhľadom na celkovú telesnú hmotnosť v porovnaní s mozgom iných zvierat proporčne väčší. Porovnávať, aký je mozog veľký vo vzťahu k veľkosti tela, však na vysvetlenie jeho výnimočných vlastností nestačí. 

V tejto kategórii totiž človeka poráža niekoľko iných zvierat. Napríklad malý hlodavec tana, ktorý vyzerá ako kríženec krtka a veverice, má najväčší pomer mozgu k telu zo všetkých cicavcov. Mozog tohto živočícha zaberá až 10 percent z jeho celkovej hmotnosti. Na porovnanie u človeka sú to v priemere len 2 percentá.

Dôležitejšia než samotná veľkosť mozgu je jeho štruktúra a tiež to, aké bunky ho tvoria. Oproti myšiam má ľudský mozog tisíckrát viac neurónov a obsahuje tiež oveľa viac gliových buniek, ktoré sa o neuróny starajú. Dodávajú im totiž živiny, chránia ich pred poškodením alebo spracovávajú odpad z neuronálnej aktivity. Keď ale vedci porovnali množstvo neurónov v mozgu šimpanza a človeka, rozdiel nebol až taký veľký. 

Výskum sa teda zameral na pomer neurónov a gliových buniek, ktorý sa chvíľu považoval za značku inteligencie. Ukázalo sa, že ani v tomto smere človek nemá prvenstvo. V mozgu vráskavca minke je pomer týchto dvoch typov buniek 5,5-krát väčší.

Jediná fyziologická kategória, v ktorej človek vyniká oproti ostatným živočíchom, je veľkosť mozgovej kôry. Práve typický „vráskavý“ vzhľad ľudského mozgu umožňuje, že sa veľká plocha mozgovej kôry zmestí do menšieho objemu lebky. Podobné vrásnenie tiež vedci objavili v prípade rôznych druhov, ktoré považujú za inteligentné, sú to napríklad delfíny, havrany či šimpanzy. Človek je síce v tejto kategórii na prvom mieste, odborníci zdôrazňujú, že nejde o výrazný náskok. Mozgová kôra u človeka reprezentuje asi 75 percent celkového objemu mozgu, v prípade koní je to 74,5 percenta a pilotných veľrýb 73,4 percenta.  

Stále teda zostáva otázka, ako je možné, že ľudský mozog dokáže vykonávať určité funkcie na úrovni, akú vedci nepozorovali pri žiadnom inom zvierati, hoci sa od ich mozgov až tak nelíši. Odpoveď hľadali biológovia v genetickom kóde. 

Človek verzus ľudoop

To, čo robí jeden druh jedinečným, sa najľahšie určuje tak, že sa porovná s iným, blízko príbuzným druhom. V minulosti vedci vykonali mnoho štúdií, ktoré porovnávali mozog človeka s mozgami šimpanzov, goríl či gibonov, našich najbližších príbuzných. 

Porovnanie mozgu človeka, gorily a šimpanzam, Upravené podľa obrázku z publíkácie časopisu PNAS.

Porovnanie mozgu človeka, gorily a šimpanza, Upravené podľa obrázku z publikácie časopisu PNAS.

Výsledok porovnávania bol jednoznačný – ľudský mozog je podstatne väčší, najväčší z čeľade Hominidae

Čo však stojí za touto veľkosťou? Aký mechanizmus sa počas evolúcie človeka vyvinul, a dovolil tak ľudským mozgom vyrásť oveľa viac? 

Vedci z MRC Laboratória molekulárnej biológie v Cambridgei, Silvia Benito-Kwiecinski a Stefano Giandomenico, sa rozhodli nájsť odpoveď na túto otázku v raných štádiách mozgového vývoja. 

Podobný výskum bol doteraz v podstate nemožný, pretože by vyžadoval odobratie vzoriek mozgu z embryí, čo odborníci vo vedeckých kruhoch považujú za neetické. 

Pokroky v technológiách však umožnili „pestovanie“ organoidov (zjednodušená verzia orgánov vytvorená v skúmavke, pozn. redakcie) v laboratóriách, a tak môžu vedci sledovať, ako sa orgán vyvíja, a to od samostatnej bunky až po celistvé tkanivo. 

Vedci odobrali vzorky buniek z dospelých jedincov a geneticky ich preprogramovali na bunky podobné embryonálnym. 

Tieto bunky sa nazývajú indukované pluripotentné bunky, čo znamená, že majú schopnosť vytvoriť rôzne typy buniek, tým pádom dokážu vytvoriť celé tkanivo, nielen kolóniu rovnakých buniek. Vďaka tomu mohli vedci sledovať rané štádiá vývoja mozgu človeka, šimpanza a gorily. 

Kľúčovým hráčom je gén ZEB2

Už po dvoch dňoch bol ľudský miniatúrny mozog väčší ako ostatné a po piatich týždňoch bol dokonca dvakrát väčší. 

Napriek rýchlejšiemu rastu si vedci všimli, že jeden bunkový proces je v ľudskom organoide v porovnaní s ostatnými dvoma organoidmi aktivovaný oneskorene. 

Ide o proces, v ktorom sa nešpecializované bunky (neuroepiteliálne bunky) menia na „dospelé“ nervové bunky nazývané radiálne gliové bunky. 

U človeka tieto bunky zostávajú v porovnaní s ľudoopmi nešpecializované o niekoľko dní dlhšie, čo im podľa vedcov dovoľuje vyprodukovať viac svojich kópií, a tak zväčšiť konkrétny región mozgu. 

Akonáhle sa totiž bunky začnú špecializovať (diferencovať), stávajú sa mobilnými a presúvajú sa do iných častí mozgu. 

Práve dlhší čas strávený v nediferencovanom štádiu spôsobuje, že časť ľudského mozgu, ktorá je zodpovedná za schopnosť riešiť komplexné problémy či byť si vedomý svojej vlastnej existencie, narastie do oveľa väčších rozmerov v porovnaní s našimi príbuznými druhmi. 

V novej štúdii sa vedcom tiež podarilo určiť gén, ktorý je zodpovedný za spustenie premeny z nešpecializovanej (nediferencovanej) nervovej bunky na dospelú. 

Je ním ZEB2 gén, ktorý ovplyvňuje tvar a mobilnosť buniek. Keď sa tento gén aktivuje, bunky sa k sebe prestanú „lepiť“, a sú tak schopné presunúť sa na iné miesta v tkanive. 

To, či je ZEB2 gén skutočne kľúčom k špecifickosti ľudského mozgu, otestovali tak, že ho umelo aktivovali najprv v ľudskom organoide a neskôr v goriľom. 

Teória vedcov sa potvrdila, keď sa gorilí organoid začal správať ako ľudský a naopak, ľudský sa začal správať ako gorilí. 

Vývoj skutočného mozgu pravdepodobne zahŕňa oveľa viac komplexnejších interakcií medzi mnohými génmi, avšak identifikácia génu ZEB2 a jeho funkcií predstavuje obrovský skok v oblasti výskumu ľudskej evolúcie a neurologického výskumu. 

Zdroje

https://doi.org/10.1073/pnas.1201895109

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.050

 

 

 

 

Operačný program MSSR

Investícia do Vašej budúcnosti
Tento projekt je podporený z Európskeho fondu regionálneho rozvoja

Táto webová stránka vznikla vďaka podpore v rámci Operačného programu Integrovaná infraštruktúra pre projekt: Podpora národného systému pre popularizáciu výskumu a vývoja
(kód ITMS: 313011T136), spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.