現(xiàn)代人比尼安德特人產(chǎn)生更多的大腦神經(jīng)元

是什么讓現(xiàn)代人類(lèi)獨(dú)一無(wú)二，這個(gè)問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)一直是研究人員的驅(qū)動(dòng)力。因此，與我們最親近的親戚尼安德特人進(jìn)行比較，提供了引人入勝的見(jiàn)解。大腦大小的增加，以及大腦發(fā)育過(guò)程中神經(jīng)元的產(chǎn)生，被認(rèn)為是人類(lèi)進(jìn)化過(guò)程中認(rèn)知能力增加的主要因素。然而，雖然尼安德特人和現(xiàn)代人類(lèi)都發(fā)育出類(lèi)似大小的大腦，但對(duì)于現(xiàn)代人和尼安德特人的大腦在發(fā)育過(guò)程中的神經(jīng)元產(chǎn)生是否可能有所不同知之甚少。

來(lái)自德累斯頓馬克斯普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)和遺傳學(xué)研究所(MPI-CBG)的研究人員現(xiàn)在表明，蛋白質(zhì)TKTL1的現(xiàn)代人類(lèi)變體(與尼安德特人變體僅有一個(gè)氨基酸不同)增加了現(xiàn)代人大腦中一種類(lèi)型的腦祖細(xì)胞，稱(chēng)為基底橈側(cè)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞?；讟锷窠?jīng)膠質(zhì)細(xì)胞在發(fā)育中的新皮層中產(chǎn)生大多數(shù)神經(jīng)元，新皮層是大腦中對(duì)許多認(rèn)知能力至關(guān)重要的一部分。由于TKTL1在胎兒人腦額葉中的活性特別高，研究人員得出結(jié)論，TKTL1中的這種單一人類(lèi)特異性氨基酸取代是現(xiàn)代人類(lèi)新皮層發(fā)育中額葉中神經(jīng)元產(chǎn)生比尼安德特人更大的基礎(chǔ)。

只有少數(shù)蛋白質(zhì)在現(xiàn)代人類(lèi)和我們已滅絕的親戚尼安德特人和丹尼索瓦人之間的氨基酸(蛋白質(zhì)的構(gòu)建塊)的序列上存在差異。這些差異對(duì)現(xiàn)代人類(lèi)大腦發(fā)育的生物學(xué)意義在很大程度上是未知的。事實(shí)上，現(xiàn)代人類(lèi)和尼安德特人都有一個(gè)大腦，特別是一個(gè)大小相似的新皮層，但這種相似的新皮層大小是否意味著相似數(shù)量的神經(jīng)元仍然不清楚。

位于德累斯頓的馬克斯·普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)和遺傳學(xué)研究所(MPI-CBG)創(chuàng)始所長(zhǎng)之一維蘭德·哈特納研究小組的最新研究與萊比錫馬克斯普朗克進(jìn)化人類(lèi)學(xué)研究所所長(zhǎng)斯萬(wàn)特·派博(Svante Pääbo)和德累斯頓大學(xué)醫(yī)院的波琳·溫伯格及其同事合作進(jìn)行， 只解決了這個(gè)問(wèn)題。

研究人員專(zhuān)注于這些蛋白質(zhì)中的一種，與尼安德特人相比，幾乎所有現(xiàn)代人都存在單一氨基酸變化，即蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)酮醇酶樣1(TKTL1)。具體來(lái)說(shuō)，在現(xiàn)代人類(lèi)中，TKTL1在所討論的序列位置含有精氨酸，而在尼安德特人TKTL1中，它是相關(guān)的氨基酸賴(lài)氨酸。在胎兒人新皮層中，TKTL1存在于新皮質(zhì)祖細(xì)胞中，所有皮質(zhì)神經(jīng)元都從中衍生出來(lái)。值得注意的是，TKTL1的水平在額葉的祖細(xì)胞中最高。

現(xiàn)代人類(lèi)TKTL1，但不是尼安德特人TKTL1，導(dǎo)致胚胎小鼠新皮層中有更多的神經(jīng)元

安妮琳·平森(Anneline Pinson)是該研究的主要作者，也是維蘭德·赫特納小組的研究員，她著手研究這種氨基酸變化對(duì)新皮層發(fā)育的意義。安妮琳和她的同事們將TKTL1的現(xiàn)代人類(lèi)或尼安德特人變體引入小鼠胚胎的新皮層。

他們觀察到，基底橈側(cè)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，被認(rèn)為是更大大腦的驅(qū)動(dòng)力的新皮質(zhì)祖細(xì)胞，隨著TKTL1的現(xiàn)代人類(lèi)變體而增加，而不是尼安德特人的變體。因此，具有現(xiàn)代人類(lèi)TKTL1的小鼠胚胎的大腦包含更多的神經(jīng)元。

現(xiàn)代人類(lèi)額葉中更多的神經(jīng)元

在此之后，研究人員探索了這些影響與人類(lèi)大腦發(fā)育的相關(guān)性。為此，他們用尼安德特人TKTL1的賴(lài)氨酸特性取代了現(xiàn)代人類(lèi)TKTL1中的精氨酸，使用人腦類(lèi)器官 - 微型器官樣結(jié)構(gòu)，可以從實(shí)驗(yàn)室細(xì)胞培養(yǎng)皿中的人類(lèi)干細(xì)胞中生長(zhǎng)出來(lái)，并且模仿早期人類(lèi)大腦發(fā)育的各個(gè)方面。

“我們發(fā)現(xiàn)，使用TKTL1中的尼安德特型氨基酸，產(chǎn)生的基底橈神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞比現(xiàn)代人型少，因此神經(jīng)元也更少，”Anneline Pinson說(shuō)。“這向我們表明，即使我們不知道尼安德特人的大腦有多少神經(jīng)元，我們也可以假設(shè)現(xiàn)代人類(lèi)在大腦額葉中比尼安德特人有更多的神經(jīng)元，其中TKTL1活動(dòng)最高。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代人TKTL1通過(guò)新陳代謝的變化起作用，特別是刺激戊糖磷酸途徑，然后增加脂肪酸合成。通過(guò)這種方式，現(xiàn)代人TKTL1被認(rèn)為可以增加某些膜脂質(zhì)的合成，這些脂質(zhì)是產(chǎn)生刺激其增殖的基底橈根膠質(zhì)細(xì)胞的漫長(zhǎng)過(guò)程，從而增加神經(jīng)元的產(chǎn)生。

“這項(xiàng)研究意味著，現(xiàn)代人類(lèi)在胎兒發(fā)育過(guò)程中新皮層神經(jīng)元的產(chǎn)生比尼安德特人更大，特別是在額葉中，”監(jiān)督這項(xiàng)研究的Wieland Huttner總結(jié)道。“人們很容易推測(cè)，這促進(jìn)了與額葉相關(guān)的現(xiàn)代人類(lèi)認(rèn)知能力。

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