Исследование показало, почему человеческий мозг вырастает больше, чем у человекообразных обезьян
Разгадку подсказали органеллы мозга, выращенные в лаборатории.
Используя выращенный в лаборатории мини-мозг, ученые из лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям (Великобритания) выяснили, почему у людей мозг больше, чем у обезьян.
Исследование опубликовано в журнале Cell, коротко о нем рассказывает Live Science.
Около 5–8 млн лет назад люди и обезьяны разделились как виды. Через некоторое время после этого у людей начал развиваться мозг большего размера. Сейчас человеческий мозг примерно в три раза больше, чем мозг шимпанзе, наших ближайших ныне живущих родственников.
В период от 2,6 млн до 11 700 лет назад человеческий мозг пережил резкий скачок в росте, увеличившись вдвое. Существуют разные версии, почему развитие мозга произошло столь стремительно и что послужило толчком.
Так, в частности, израильские ученые выдвинули гипотезу, что это случилось из-за вымирания крупных животных, вследствие чего человеку пришлось охотиться на мелкую и шуструю добычу.
Поскольку площадь поверхности мозга человека и обезьяны быстро увеличивается на ранних этапах развития, ученые ранее предполагали, что различия могут возникнуть вскоре после зачатия, до того, как клетки дифференцируются и превратятся в клетки мозга. Но поскольку ранняя ткань мозга человека и эмбриона обезьяны недоступна для исследований, предыдущие исследования в основном были сосредоточены на более поздних стадиях развития, когда уже сформировались нейроны.
Взглянуть на самые ранние стадии позволило создание в лабораторных условиях органоидов мозга из стволовых клеток.
В новом исследовании Сильвия Бенито-Квечински и ее команда вырастила «мини-мозги» шимпанзе, горилл и людей в лаборатории (это первый раз, когда был создан органоид мозга гориллы). Ученые создали эмбриоидные тельца, которые имитируют ранние стадии развития мозга — примерно через месяц после зачатия — до того, как стволовые клетки созреют в клетки мозга.
Затем эти клетки поместили в гелевые матрицы и позволили им развиться в нейральные клетки-предшественницы, которые в конечном итоге при дальнейшем развитии эмбриона превратились бы в клетки мозга.
«Причина, по которой эти клетки-предшественницы интересны, заключается в том, что в конечном счете именно от их числа зависит количество генерируемых нейронов», — пояснила Бенито-Квечински.
Эти клетки-предшественницы имеют цилиндрическую форму, но по мере созревания они начинают удлиняться и приобретать форму веретена. Удлиненные клетки делятся намного медленнее, чем цилиндрические. В конце концов веретенообразные клетки становятся полностью развитыми нейронами.
Через пять дней клетки — предшественницы нейронов гориллы созрели и приобрели веретенообразную коническую форму (справа), но клетки человека (слева) сохранили цилиндрическую формуОказалось, что в мозге человека нервные клетки-предшественницы остаются в первой стадии на несколько дней дольше, чем у шимпанзе и горилл. За это дополнительное время клетки-предшественницы человека делятся больше, чем у обезьян, создавая больше будущих клеток мозга.
Причиной оказался ген ZEB2, который в органоидах мозга гориллы включается раньше, чем в органоидах человека. Когда исследователи задержали активацию ZEB2 в клетках-предшественницах горилл, переход в удлиненные клетки занял больше времени, в результате чего клетки органоидов горилл стали более похожими на человеческие.
Пока неизвестно, какие еще гены отвечают за этот процесс. Исследователи надеются понять, что регулирует экспрессию ZEB2 и почему этот ген экспрессируется у людей позже, чем у обезьян.
Фото: S.Benito-Kwiecinski
В мертвом человеческом мозге обнаружены «зомби-клетки»
Ученые: микрогравитация может лишить астронавтов способности распознавать эмоции
На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc., запрещённая на территории Российской Федерации
Расскажите друзьям
Иллюстрация: Ирина Лутцева
Что мы будем есть в будущем
Stockholm Resilience Centre
Исследование: Земля на грани пяти катастрофических переломов климата
Shutterstock
Исследование: сперматозоиды лучше плывут к яйцеклетке, когда они в группе
University of Michigan
Химический анализ бивня мастодонта рассказал о поведении вымершего животного
Современный карликовый крокодил
Shutterstock
Обнаружены еще два вида вымерших крокодилов, которые охотились на предков человека
Хотите быть в курсе последних событий в науке?
Оставьте ваш email и подпишитесь на нашу рассылку
Ваш e-mail
Нажимая на кнопку «Подписаться», вы соглашаетесь на обработку персональных данных
Создана самая подробная карта нейронных связей в мозге человека
02 июня 2021 16:52 Ольга Мурая
Цветное изображение 4 000 аксонов, передающих нервные импульсы одному нейрону.
Иллюстрация Google/Lichtman Laboratory.
После долгой и кропотливой работы исследователи из Google и Гарварда опубликовали в свободном доступе одну из подробнейших 3D-моделей человеческого мозга.
В человеческом мозге насчитывается 86 миллиардов нейронов, сообщающихся между собой посредством сотни триллионов синапсов. Это запутанная сеть нейронных связей, в глубине которой таятся наши сознание, мысли чувства, воспоминания и индивидуальность.
Человеческий мозг сложнее любого существующего на сегодняшний день компьютера. Поэтому визуализация полной структуры всех его связей выглядит, на первый взгляд, совершенно непосильной задачей.
Однако исследователи со всего мира упорно трудятся, буквально собирая по кусочкам небольшие области головного мозга человека. К слову, такая карта нейронных связей называется «коннектомом», а наука, которая занимается «картографией» нервной системы – коннектомика.
В 2020 году исследователи из Google в сотрудничестве с коллегами из Медицинского института Говарда Хьюза создали коннектом мозга плодовой мушки. Звучит как довольно простая задача, однако пока что им удалось «нанести на карту» лишь около половины головного мозга насекомого.
Недавно Google совместно с исследователями из Гарварда выпустил похожую модель человеческого мозга. Точнее, его крохотного участка.
Исследователи использовали для этого образец из височной доли коры головного мозга размером всего в 1 мм3. Его окрасили специальными веществами и нарезали на 5 300 слоёв толщиной около 30 нанометров. Затем каждый из этих слоёв отсканировали с помощью электронного микроскопа.
Так учёные получили 225 миллионов двухмерных изображений, которые затем «сшили» в 3D-модель.
Разные клетки и их структуры внутри образца выявляли с помощью алгоритмов машинного обучения. Исследователи лишь изредка проверяли вручную точность, с которой машины определяли принадлежность разных клеток.
Конечный результат назвали набором данных H01, и он является одной из наиболее полных карт человеческого мозга из когда-либо созданных. Он содержит информацию о 50 000 нервных клеток, 130 миллионах синапсов и, кроме того, визуализирует дополнительные детали: аксоны и дендриты нейронов, миелин и клетки ресничного эпителия.
Самым впечатляющим в этом наборе данных стало то, что он занял целых 1,4 петабайта памяти. Это больше миллиона гигабайтов.
При этом в Google утверждают, что это всего одна миллионная часть полной карты человеческого мозга.
Выходит, что огромную сложность представит не только сама работа по картированию всего этого объёма, но и поиск места для хранения этого невероятного массива информации. К тому же исследователям ещё предстоит найти способ организации полученных данных и обеспечить удобный доступ к ним.
А пока для ознакомления онлайн доступен собранный ныне набор данных H01.
Научная статья, сопровождающая это достижение, была опубликована на сайте препринтов bioRxiv.
Напомним, ранее мы писали о создании карты мозга, показывающей, где в нём «хранятся» отдельные слова (кстати, она тоже доступна онлайн). Также мы сообщали о том, что учёные обнаружили сходство человеческого мозга с пчелиным роем.
Больше новостей из мира науки и технологий вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».
наука 3D нервные клетки головной мозг нейробиология общество новости
Ранее по теме
Всего 4 порции алкоголя в неделю снижают умственные способности
Токсичные частицы попадают прямо в мозг через лёгкие
Горячие головы: нормальной температурой мозга назвали отметку 40 градусов Цельсия
Даже лёгкое сотрясение мозга даёт знать о себе спустя 8 лет
Внезапно: стала известна новая функция почти половины клеток головного мозга
Создана первая в мире карта развития человеческого мозга
Как в процессе эволюции менялся человеческий мозг
Происхождение человеческого мозга относится к главным загадкам эволюции и к одной из наиболее дискуссионных тем в биологической науке.
Почему в какой-то момент времени эволюция поддержала развитие мозга у одной из ветвей приматов? Почему мозг так стремительно вырос за столь короткий период? И почему в течение 30 000 лет мозг Homo sapiens постоянно теряет в весе?
Сергей Савельев
Чтобы ответить на эти вопросы, придется обратиться к интересным метаморфозам, происходившим с древнейшими предками человечества миллионы лет назад. До появления человека эволюция совершалась традиционным способом. «Топливо» эволюции — полиморфизм, вариабельность, изменчивость внутри одного вида. Если внешние условия обитания не изменялись, признаки вида сохранялись более-менее консервативно, если же условия претерпевали изменения, то полиморфизм позволял выжить тем существам, у которых оказывались более пригодные для изменившихся условий качества. А вот когда изменчивость признаков не перекрывала изменившихся условий, популяция вымирала. Естественный отбор — это вечное противостояние множественности признаков и давления среды.
Лобная доля, ставшая морфологической основой человеческого интеллекта, изначально имела задачу торможения животных инстинктов.
Все знают, что некоторые дамы, слишком сильно озабоченные похудением, стараются есть как можно меньше, и при достижении веса около 40 кг у них нередко начинается болезнь под названием анорексия. Больных анорексией заставить есть практически невозможно, и современная медицина бессильна помочь этим несчастным. В итоге эти женщины безвременно уходят из жизни. Зато лет 60 назад, когда медицина была не столь гуманной, больным анорексией вводили острый скальпель в нижнюю часть височной области и отсекали лобную долю. Через некоторое время у пациенток восстанавливался аппетит и менструальный цикл и они возвращались к нормальной жизни.
Лобная доля поддерживала общественные связи у древних гоминид. Кто оказывался не способен делиться едой, того съедали самого или изгоняли. Поэтому всего за несколько миллионов лет лобные области мозга очень быстро выросли и однажды стали основой разума.
Человек — естественная часть природы, и долгое время эволюция человеческого мозга шла по тем же биологическим законам. Шла она не то чтобы очень быстро, да и само появление приматов (около 65 млн лет назад) нельзя считать какой-то вершиной эволюции — это не что иное, как приспособление млекопитающих к жизни на деревьях. Настоящая человеческая история в обезьяньем мире началась в тот момент, когда возникли необычные условия, то есть та самая переходная среда, которая в корне изменила характер эволюции человеческого мозга.
Рай находился в Африке
Судя по всему, архетип человеческого мозга сформировался в определенной уникальной среде в результате длительного биологического процесса. В какой-то момент времени, примерно 15 млн лет назад, на востоке Африки сложились очень благоприятные условия для жизни любых млекопитающих. Тогда в субтропиках или в тропиках, в полузатопленных местах, в неглубоких проточных водоемах в огромных количествах размножались какие-то вкусные и питательные животные — беспозвоночные или рыбы.
Такой полуводный образ жизни, кстати, хорошо объясняет происхождение двуногости. Понятно, что чем дальше животное может зайти в воду, тем больше оно сможет собрать там пищи. Но заходить на глубину на четвереньках неудобно, поэтому и норвежские медведи, и многие современные приматы вступают в воду, стоя на двух ногах. При этом передвижение на двух ногах освободило передние конечности, которые тоже пригодились. Поскольку, как уже говорилось, водные животные стали обильной пищей птицам, последние активно размножались, а значит, несли яйца.
Чтобы доставать яйца из гнезд и употреблять в пищу, предкам человека нужны были руки.
Если фрукты для лазящих животных легкодоступны, то получение белковой пищи дается приматам с большим трудом. В погоне за мясом современные обезьяны охотятся даже на других обезьян. А вот в «африканском раю», сложившемся 15 млн лет назад, с высококачественной белковой пищей у тогдашних приматов не было никаких проблем: икра и птичьи яйца находились почти на расстоянии вытянутой руки. Все это привело к формированию группы животных, практически выпавших из системы отбора: зачем меняться, если условия среды близки к райским? Однако, как известно, при избытке пищи животных вообще ничего не интересует, кроме размножения. Обилие еды, таким образом, усилило конкуренцию при размножении и, как следствие, стало причиной гонки за доминантность.
Мысль изреченная есть ложь
Одним из последствий сложившейся ситуации стала речь, которая, по-видимому, зародилась как раз в «райский» период.
Речь могла возникнуть как способ организации совместных действий, а начиналась, возможно, с простых звуков или, например, пения, как у современных гиббонов. Кстати, у гиббонов в мозге есть такие же поля, как и в мозге человека, и именно там у нас локализуется речь. Далее на этой базе уже возникла речь, используемая не как средство общения, а как средство имитации. Можно было впечатлить самку реальными успехами на охоте и обильной добычей, что добавляло самцу привлекательности, увеличивая шансы на передачу своего генома будущим поколениям. А можно было ей об этом просто рассказать и заполучить в ее глазах те же лавры победителя, не прилагая реальных усилий. В биологическом мире все поддерживается именно в такой пропорции: чем меньше действий и больше биологического результата — тем эффективней событие. Поэтому имитация действия с помощью речи стала бесценным качеством у архаичных антропоидов. Речь стала выгодным продуктом, и на нее начал действовать интенсивный отбор, поскольку она позволяла достигать результата в размножении.
По сути дела, речь возникла как форма обмана, а обман был эффективен и тогда, и в наши дни.
Итак, пока в райских условиях пищи хватало с лихвой, естественный отбор практически не действовал, работал разве что половой отбор, о котором говорил Дарвин. Все изменилось тогда, когда изменились места нереста водных животных, сформировавших эту переходную среду. И примерно 5 млн лет назад бедные антропоиды остались у разбитого корыта. Пища исчезла. Что у наших предков было в активе? Зубы, которые уже стали почти человеческими? Этими зубами даже ничего толком откусить нельзя. Они были гиперспециализированы под качественную и легко пережевываемую белковую пищу. Есть и другие объяснения возникновению человеческих зубов — некоторые антропологи считают, что они трансформировались тогда, когда антропоиды слезли с деревьев и ушли в полубуш, чтобы вырывать из земли и поедать корешки. Но мало того что на зубах человека нет никаких следов их якобы использования для перетирания корешков — не понятно и то, зачем было слезать с деревьев и отказываться от плодов в пользу корнеплодов.
Вопреки распространенным взглядам, интеллект сам по себе в современном обществе никаких особых преимуществ не дает. Любая умственная деятельность лишь тогда приносит результаты, когда имеет под собой биологическую «подложку», три главных стимула – еда, размножение, доминантность. Без стимулов мозгу работается тяжело. Мозг является энергозависимой системой, и он настроен на то, чтобы ничего не делать. Ведь даже пока человек расслаблен, мозг, составляющий 1/50 веса тела, потребляет 9% энергии организма. Как только мы задумываемся, энергопотребление повышается до 25% энергии. Четверть от всего, что мы вдохнули, съели и выпили. Поэтому мозг поощряет безделье и получение благ без умственных затрат. Неожиданно свалившиеся деньги, ужин в ресторане за чужой счет, приятный подарок – все это наполняет нас светлой радостью. Это мозг насытил кровь серотонином – «гормоном счастья», лишь на одну аминогруппу отличающимся по химическому составу от ЛСД. Но если мы решили заработать честным интеллектуальным трудом и напрягли мозг, он проявляет недовольство и начинает вырабатывать совсем другие вещества.
Они вызывают в нас раздражение, преждевременную усталость, желание срочно попить, поесть, сходить в туалет. Лень мозга может стать причиной реального расстройства кишечника. Мозг как бы говорит нам: бросай работу и займись поиском бесплатных благ.
Что там зубы — у вышедших из «рая» предков человека не было ни когтей, ни быстрых ловких ног, ни шерсти, которая исчезла, видимо, благодаря полуводной среде обитания. С таким печальным наследством большая часть антропоидов, конечно же, вымерла, но остальные стали использовать единственный свой ресурс, на который не действовал отбор, — мозг. Тут-то и началась биологическая эволюция человека.
Ишь ты какой умник!
И она пошла по очень интересному пути. Когда разные группы австралопитеков занялись поиском пищи, на них впервые стал действовать биологический отбор. И тогда они стали объединяться в большие группы и утрачивать те биологические качества, которые позволяют выживать отдельным животным.
Теперь отбор благоприятствовал лишь тем, кто мог существовать в группе. Они-то и выживали, размножались и переносили геном в следующие поколения. А кто не мог — из такой группы элиминировался. Мы и сейчас видим это на примерах человеческих общностей, которые ради сохранения среднего уровня отношений отбрасывают как «корешки», так и «вершки», то есть избавляются как от социопатов, так и от самых способных и талантливых. В общностях австралопитеков этот процесс шел полным ходом, и принудительная элиминация самых буйных и самых умных привела к миграциям с прародины человечества — Африки.
Если разложить по этапам историю миграции человека из Африки, то получается следующая картинка: асоциальные и наиболее интеллектуальные особи мигрировали, создавали новую оседлую группу, и в этой оседлой группе мозг оказывался в среднем больше, чем у членов исходной группы. Затем новая группа становилась более социально стабильной, а всех, кто разрушал стабильность, — опять «вышибали», они опять мигрировали и образовывали за счет высокого полиморфизма новую группу.
И при каждой следующей миграции мозг чуть-чуть увеличивался. Сначала группы «изгоев» путешествовали по Африке. Представители homo erectus уже заселили Евразию. Все это время мозг продолжал расти. Если мы посмотрим на антропогенез в той его части, где он хорошо палеонтологически и археологически представлен, то окажется, что на протяжении эволюции каждого вида гоминид мозг непрерывно увеличивался. В частности, у homo erectus он первоначально весил около 900 г, но постепенно вырос до 1200 г.
Альтруистический интеллект
Получается, что в стабильной социальной группе любых ранних и поздних гоминид действовал непреложный закон искусственного отбора. И именно в этом заключена квинтэссенция эволюции мозга человека.
Никакой эволюции и естественного отбора не хватило бы, чтобы всего за 4,5 млн лет наш мозг проделал путь от мозга шимпанзе к мозгу homo sapiens. Но если происходит селекция по социальному принципу, эволюция невероятно ускоряется.
Благодаря жесточайшему внутреннему искусственному отбору.
Вот вопрос: что трудно отнять даже у любимой собаки? Конечно, вкусную еду — кусок колбасы или косточку. В животном мире пищей не принято делиться — наоборот, животные стараются отнять еду друг у друга любым способом. Украл — значит, наелся, наелся — значит, получил преимущество в размножении. В человеческом же социуме едой принято делиться. И вот, как выяснилось, нижняя часть лобной области человеческого мозга потребовалась нам для того, чтобы мы могли отказаться от пищи. Иными словами, лобная область, считающаяся морфологической основой интеллекта, исторически развивалась не для того, чтобы думать о высоком или играть в шахматы. Не было в те далекие времена ни «высокого», ни шахмат. Главной задачей этой части мозга стало торможение животных инстинктов. Ибо только делясь едой, можно было поддержать взаимодействие и общение в группе.
Плод пирровой победы
Человечество расселялось по планете, наращивая объем мозга, и наконец на историческую сцену вышли две крупные группы — неандертальцы и кроманьонцы.
У представителей обеих групп мозг достиг огромного размера — 1560−1600 г. Однако при том что мозг по массе был одинаков, стратегия поведения и результаты отбора оказались разные. Неандертальцы были мощными, сильными, умными существами, которые селились очень маленькими семьями. Они придумывали орудия и вообще, возможно, были более интеллектуальными, чем homo sapiens sapiens. Но отбор, связанный с поддержанием бесконфликтных ситуаций в группах, на них не действовал. А кроманьонцы, похоже, были туповатыми, ограниченными, но их мозг прошел больший путь социализации. Жестокий отбор приспособил их к общественному образу жизни. Каков же оказался результат конкуренции? Когда на трех жуков нападает банда муравьев, она их уничтожает. Примерно так же кроманьонцы расправились с неандертальцами. И дальше мы, сапиенсы, пожали печальные плоды своей победы. 30 000 лет назад социальный отбор, который тогда, в условиях конкуренции, требовал колоссальных усилий со стороны сапиенсов, прекратился. И ситуация вернулась в каком-то смысле к началу пути: ускорился отбор людей по социальной адаптированности, только теперь отдельные слишком умные «изгои» не могли повлиять на ситуацию — общество стало слишком большим.
А безынициативные особи с посредственными данными, способные к плодотворному общению и коллективным действиям, получали преимущество. Кто мог выполнять правила игры в группе, какими бы они ни были идиотскими, получал возможность размножиться и перенести геном в следующее поколение. Кто нарушал правила — тот не размножался. Так мозг постепенно и уменьшился с 1600 до 1300 г. и надо сказать, что подобный регресс не наблюдался ни у одного вида за всю историю гоминид.
Есть ли у мозга шансы на биологический прогресс? Скорее всего нет, по крайней мере до тех пор, пока действие биологического отбора будет подменяться искусственным социальным отбором. Преференции получают наиболее общественно адаптированные люди, а наличие маленького мозга в большинстве случаев им не мешает.
Автор — доктор биологических наук, профессор, руководитель отдела эмбриологии НИИ морфологии человека РАМН
Эволюция человеческого мозга – YourGenome
В процессе эволюции мозг претерпел ряд замечательных изменений.
Самый примитивный мозг представляет собой не более чем скопление клеток, сгруппированных вместе в передней части организма. Эти клетки обрабатывают информацию, поступающую от органов чувств, также расположенных в голове.
У людей самый большой мозг по сравнению с размером тела среди всех живых существ.
Со временем мозг эволюционировал. Мозг позвоночных животных развился как по размеру, так и по сложности. У людей самый большой мозг по отношению к размеру тела среди всех живых существ, но и самый сложный. Различные области мозга стали специализированными с отличительными структурами и функциями. Например, мозжечок участвует в движении и координации, тогда как кора головного мозга участвует в памяти, языке и сознании.
Поведение может влиять на успех вида, поэтому оно сформировалось в ходе эволюции.
Понимая, как развивался человеческий мозг, исследователи надеются определить биологическую основу поведения, которое отличает людей от других животных.
Поведение может влиять на успех вида, поэтому разумно предположить, что человеческое поведение сформировалось в результате эволюции. Понимание биологии мозга также может пролить свет на многие состояния, связанные с человеческим поведением, такие как депрессия, аутизм и шизофрения.
Размер мозга и интеллект
Человеческий мозг примерно в четыре раза больше, чем мозг шимпанзе, и примерно в 15 раз больше, чем мозг мыши.
Если вы поместите мозг мыши, мозг шимпанзе и человеческий мозг рядом друг с другом и сравните их, может показаться очевидным, почему у этих видов разные интеллектуальные способности. Человеческий мозг примерно в четыре раза больше, чем у шимпанзе, и примерно в 15 раз больше, чем у мыши. Даже с учетом различий в размерах тела люди обладают необычно большим мозгом.
Больше не всегда лучше
Но размер — это еще не все. Исследования показали, что между размером мозга и интеллектом у людей нет особенно сильной связи.
Это еще больше усиливается, когда мы сравниваем человеческий мозг с мозгом неандертальца. Поскольку сегодня неандертальских мозгов не существует, ученым приходится изучать внутреннюю часть ископаемых черепов, чтобы понять, какой мозг был внутри. Мозг неандертальца был таким же большим, как наш, даже больше.
Черепа современных людей, хотя в целом больше, чем у наших более ранних предков, также отличаются по форме. Это говорит о том, что современный мозг имеет менее фиксированную форму, чем мозг более ранних людей, и на протяжении всей жизни на него могут влиять факторы окружающей среды или генетические факторы (это называется пластичностью).
Есть несколько интересных различий, если сравнить характер роста мозга у людей и у шимпанзе, наших ближайших ныне живущих родственников. Оба мозга неуклонно растут в течение первых нескольких лет, но форма человеческого мозга значительно меняется в течение первого года жизни. В течение этого периода развивающийся мозг будет собирать информацию из окружающей среды, предоставляя возможность внешнему миру формировать растущие нейронные цепи.
Анализ черепа ребенка-неандертальца показал, что его модели роста были больше похожи на шимпанзе, чем на современных людей. Это говорит о том, что, хотя мозг современных людей и неандертальцев достиг одинакового размера во взрослом возрасте, это было достигнуто за счет разных моделей роста в разных областях мозга.
Основным фактором, ограничивающим размер человеческого мозга, является тазовый пояс, который (у женщин) должен бороться с необходимостью рождения ребенка с большой головой. Люди эволюционировали, чтобы продлить период роста мозга, включив в него период после рождения. Эта тонкая разница в раннем развитии могла иметь большое значение для нашего выживания.
Язык и развитие мозга
Язык, вероятно, является ключевой характеристикой, отличающей нас от других животных. Благодаря нашим сложным языковым навыкам мы можем быстро и эффективно передавать информацию другим представителям нашего вида. Мы можем координировать то, что мы делаем, и планировать действия, вещи, которые дали бы большое преимущество на раннем этапе нашей эволюции.
Чтобы понять, что кто-то говорит, нам нужно распознать его речь и передать эту информацию в мозг.
Язык сложен, и мы только начинаем понимать его различные компоненты. Например, мы должны рассмотреть сенсорные аспекты языка. Чтобы понять, что кто-то говорит, нам нужно распознать его речь и передать эту информацию в мозг. Затем мозг должен обработать эти сигналы, чтобы понять их смысл. Частям нашего мозга приходится иметь дело с синтаксисом (как порядок слов влияет на значение) и семантикой (что на самом деле означают слова).
Память также очень важна, так как нам нужно помнить, что означают слова. Кроме того, существует вся система вокализации, которая участвует в разработке того, что мы хотим сказать, и в том, чтобы убедиться, что мы произносим это четко, координируя мышцы для создания правильных звуков.
Некоторые птицы — талантливые мимики, но с птицей майна не заговоришь!
Изучение языка путем сравнения различных видов затруднено, потому что никакие другие животные не могут приблизиться к нашим языковым способностям.
Некоторые птицы — талантливые мимики, но с птицей майна не заговоришь! Даже когда наши ближайшие родственники, шимпанзе, воспитываются в человеческих семьях, они никогда не приобретают навыков вербальной речи. Хотя шимпанзе могут научиться понимать наш язык и использовать «графические» символы, они не проявляют особой склонности сообщать что-либо, кроме основной информации, такой как просьбы о еде. Люди, напротив, кажутся компульсивными коммуникаторами.
Главный ген языка?
Возможно, самое глубокое понимание эволюции языка было получено благодаря работе над геном FOXP2 . Этот ген играет ключевую роль в языке и вокализации и позволяет нам исследовать изменения, лежащие в основе эволюции сложного языка.
Ген FOXP2 был впервые обнаружен Саймоном Фишером, Энтони Монако и их коллегами из Оксфордского университета в 2001 году. Они обнаружили этот ген в ходе своих исследований образцов ДНК из семьи с характерными речевыми и языковыми трудностями.
Около 15 членов семьи в трех поколениях прекрасно понимали произносимые слова, но с трудом могли связать слова вместе, чтобы сформировать ответ. Паттерн, по которому это состояние было унаследовано, предполагал, что это было доминирующим состоянием с одним геном (одной копии измененного гена было достаточно, чтобы нарушить их общие языковые способности). Исследователи определили область генома, которая, вероятно, содержит пораженный ген, но не смогли определить конкретную генную мутацию в этой области.
Затем им повезло в виде еще одного неродственного ребенка с очень похожими симптомами. Глядя на ДНК этого ребенка, они обнаружили хромосомную перестройку, которая прорезала ген в той области ДНК, где, как они подозревали, находился мутировавший ген. Этот ген был FOXP2 . После секвенирования гена FOXP2 в семье они обнаружили специфическую мутацию в гене, которая была общей для всех пораженных членов семьи. Это подтвердило важность FOXP2 на человеческом языке.
Мутации в гене FOXP2 влияют на часть мозга, отвечающую за развитие речи.
Саймон и его коллеги охарактеризовали FOXP2 как «главный контроллер», регулирующий активность множества различных генов в нескольких областях мозга. Одна из ключевых ролей заключается в росте нервных клеток и связях, которые они создают с другими нервными клетками во время обучения и развития. Мутации в 9Ген 0061 FOXP2 влияет на часть мозга, отвечающую за развитие речи, что приводит к языковым проблемам, наблюдаемым в этой семье.
Эволюция FOXP2
Ген FOXP2 высоко консервативен между видами. Это означает, что ген имеет очень похожую последовательность ДНК у разных видов, что позволяет предположить, что он не сильно изменился с течением времени. Белок FOXP2 у мыши отличается от человеческого только тремя аминокислотами. Версия шимпанзе отличается от версии человека только двумя аминокислотами. Эти два изменения в аминокислотах могут быть ключевыми этапами в эволюции языка у людей.
Как эти небольшие изменения в последовательности влияют на функциональность белка FOXP2? Исследования на мышах показывают, что изменение мышиной версии гена FOXP2 для того, чтобы иметь ту же последовательность, что и у человека, имеет лишь незначительные эффекты. Примечательно, что получившиеся детеныши мышей в основном нормальны, но демонстрируют тонкие изменения в частоте их высоких вокализаций. У них также обнаруживаются характерные изменения в проводке в определенных частях мозга.
Из этих исследований ученые пришли к выводу, что FOXP2 участвует в способности мозга запоминать последовательности движений. У людей это выражается в сложных мышечных движениях, необходимых для воспроизведения звуков речи, тогда как у других видов они могут играть другую роль, координируя другие движения.
FOXP2 регулирует многие другие гены в организме, и эволюция, по-видимому, также благоприятствовала их подмножеству, особенно у европейцев. Гены, регулируемые FOXP2, важны не только для развития мозга, но также играют важную роль в репродукции и иммунитете человека.
FOXP2 и неандертальцы
Возможно, неандертальцы обладали некоторыми способностями к речи и общению.
Неандертальцев в целом характеризовали как крупный звероподобный вид с небольшим интеллектуальным, социальным или культурным развитием или вообще без него. Однако тот факт, что у них были одинаковые FOXP2 гена современных людей предполагает, что неандертальцы могли иметь некоторую способность к речи и общению.
Различные доказательства помогли создать картину того, как неандертальцы могли жить и общаться. Археологические данные предполагают, что они, вероятно, жили небольшими группами и из-за своих высоких энергетических потребностей проводили большую часть своего времени на охоте.
Маловероятно, что неандертальцы создали социальные группы, связанные эффективным общением. Вероятно, это связано с тем, что им не хватало ключевых умственных способностей, необходимых для создания и поддержания социальных групп.
Рекурсивное мышление (думание о мышлении), теория разума (оценка того, что происходит в чужой голове) и подавление импульсивных реакций (способность контролировать импульсы) — все это важные элементы успешного социального взаимодействия. Интересно, что черепно-мозговая травма и нарушения развития, такие как аутизм, могут нарушать эти способности и социальные навыки у людей.
Эти данные свидетельствуют о том, что мозг неандертальца, возможно, не был приспособлен для эффективной коммуникации и дипломатических навыков. С ними было бы очень трудно ужиться! Мозг неандертальца, вероятно, был лучше приспособлен для того, чтобы максимизировать их зрительные способности. Они использовали бы свои негабаритные глаза и большой мозг, чтобы выжить и охотиться в условиях низкой освещенности в Европе. Это ограничило бы пространство, доступное в мозгу для развития систем, необходимых для общения и социальных взаимодействий. Тем не менее, их меньшие социальные области мозга могли позволить им создать более мелкие социальные сети, которые, возможно, повысили их шансы на выживание в суровых европейских условиях.
Ученые определили, что заставляет клетки мозга развиваться в определенном порядке
Исследователи определили полную серию из 10 факторов, которые регулируют развитие типов клеток мозга в зрительной системе плодовых мушек, включая порядок развития этих нейронов. Результаты, опубликованные в журнале Nature , открывают новые направления исследований, чтобы понять, как развивалось развитие мозга у разных животных, и дают ключ к разгадке регенеративной медицины.
Человеческий мозг состоит из 80 миллиардов нейронов. Эти нервные клетки различаются по своей форме, функциям и связям с другими нейронами, образуя нейронные сети. Эта сложность позволяет мозгу выполнять свои многочисленные функции, от управления речью и зрением до хранения воспоминаний и генерации эмоций.
Хотя ученые идентифицировали множество типов нейронов, вопрос о том, как возникает эта сложность в процессе развития мозга, является центральным вопросом нейробиологии развития и регенеративной медицины.
«Знание того, как развивается человеческий мозг, может позволить нам в будущем повторить эти процессы развития в лаборатории, чтобы создать определенные типы нейронов в чашке Петри — и, возможно, пересадить их пациентам — или запустить нейронные стволовые клетки в живых организмах. для создания и замены отсутствующих нейронов», — сказал Клод Десплан, серебряный профессор биологии Нью-Йоркского университета и старший автор исследования.
Поскольку изучение человеческого мозга представляет собой невероятно сложную задачу, исследователи полагаются на модельные организмы, такие как мыши и мухи, для изучения сложных механизмов, участвующих в мозговых процессах. Как у позвоночных, таких как мыши и люди, так и у беспозвоночных, таких как мухи, различные типы нейронов генерируются последовательно по мере развития мозга, при этом определенные типы нейронов генерируются первыми, а другие типы генерируются позже из одной и той же стволовой клетки-предшественника.
Механизм, с помощью которого нейральные стволовые клетки со временем продуцируют разные нейроны, называется формирование временного паттерна .
Экспрессируя разные молекулы, называемые временными факторами транскрипции или tTF, которые регулируют экспрессию специфических генов в каждом временном окне, нейральные стволовые клетки продуцируют разные нейроны.
В исследовании, опубликованном в Nature , исследователи изучили мозг плодовой мушки Drosophila , чтобы раскрыть полный набор tTF, необходимых для генерации примерно 120 типов нейронов продолговатого мозга, особой структуры мозга в зрительной системе. мух. Они использовали современное секвенирование мРНК одной клетки, чтобы получить транскриптом — все гены, экспрессированные в данной клетке — более чем 50 000 отдельных клеток, которые затем были сгруппированы в большинство типов клеток, присутствующих в развивающемся мозговом веществе. .
Сосредоточив внимание на нервных стволовых клетках, исследователи определили полный набор tTF, которые определяют различные окна времени в этой области мозга, и генетическую сеть, которая контролирует экспрессию этих различных tTF, которые позволяют прогрессировать этому временному каскаду.
«Несколько tTF были ранее идентифицированы в зрительной системе мозга с использованием доступных антител; теперь мы идентифицировали исчерпывающую серию из 10 tTF, которые могут определять все типы нейронов в этой области мозга», — сказал один из ведущих авторов исследования, Николаос Константинидес, ныне руководитель группы в Институте Жака Моно в Париже и бывший научный сотрудник с докторской степенью. в лаборатории Десплан.
Затем исследователи определили генетические взаимодействия, которые позволяют прогрессировать временному каскаду, и то, как эта прогрессия связана с «порядком рождения» всех нейронов в мозговом веществе, связывая определенные временные окна с генерацией определенных типов нейронов. Этот каскад необходим для воспроизведения полного нейронного разнообразия этой области мозга в стереотипном порядке.
«Нарушение прогрессии височного каскада приводит к уменьшению разнообразия нейронов и, следовательно, к изменению развития мозга», — сказала Изабель Хольгера, научный сотрудник кафедры биологии Нью-Йоркского университета и один из первых авторов исследования.
Наконец, команда изучила первые шаги в процессе созревания нервных стволовых клеток в нейроны, стадию развития нейронов, называемую дифференцировкой. Они обнаружили, что процесс дифференцировки нейронов мух и нейронов коры головного мозга человека был поразительно схожим, со схожими паттернами экспрессии генов на разных стадиях дифференцировки.
«Наши результаты показывают, что понимание механизмов развития нейронов у мух может дать представление об аналогичном процессе у людей», — сказал соавтор Энтони Росси, ныне научный сотрудник Гарвардского университета и бывший аспирант лаборатории Desplan.
Дополнительные авторы исследования: Аристидес Эскобар, Льебо Дюдрань, Йен-Чунг Чен, Тхинь Тран, Азалия Мартинес Джеймс, Мехмет Несет Озель и Феликс Саймон из Нью-Йоркского университета; Жипинг Шао, Надежда М. Цанкова, Джон Ф. Фуллард и Панос Руссос из Медицинской школы Икан на горе Синай; и Уве Вальдорф из Саарского университета. Исследование было поддержано Национальными институтами здравоохранения (EY019716, EY10312, K99 EY029356-01, T32 HD007520), Нью-Йоркским университетом, Human Frontier Science Program и Фондом Леона Леви.
Человеческий мозг | Max-Planck-Gesellschaft
Человеческий мозг — самый сложный орган, когда-либо созданный природой: 100 миллиардов нервных клеток и гораздо больше точек соприкосновения между ними обеспечивают нашему мозгу возможности, с которыми не может сравниться ни один суперкомпьютер по сей день. Одной из важнейших его характеристик является способность к обучению. Но как совокупность нейронов вообще может чему-то научиться? И можно ли специально улучшить эту способность?
Еще несколько лет назад ученые были уверены в одном: мозг взрослого человека не изменится. Однако сегодня мы знаем, что мозг постоянно трансформируется вплоть до самой старости. Некоторые нейробиологи даже проводят сравнения с мышцей, которую можно тренировать. Продавцы так называемых программ для бега трусцой теперь подхватывают эту идею, предлагая упражнения, предназначенные для повышения эффективности обучения и памяти.
Идея о том, что мозг может учиться всю жизнь, остается бесспорной с научной точки зрения.
Если бы это было не так, люди не смогли бы преодолеть широкий спектр проблем, с которыми мы сталкиваемся в течение нашей жизни. Например, даже в пожилом возрасте мы можем выучить иностранный язык и йогу, можем запомнить лицо и голос нового коллеги по работе или маршрут до новой пиццерии.
Однако многие ученые сомневаются в том, что упражнения для бега трусцой повышают общую работоспособность мозга. Они предполагают, что эффекты коучинга влияют только на задачу, которую обучают. Согласно этой точке зрения, другие способности практически не приносят пользы от программ бега трусцой мозга.
Новости
- Все
- видео
Синаптическая пластичность
Что именно происходит, когда наш мозг запоминает и запоминает что-то новое?
Обучение происходит в синапсах – это места, в которых электрические сигналы передаются от одной нервной клетки к другой.
Нейробиологи обнаружили, что синапсы могут варьировать эффективность передачи. Это явление также называют синаптической пластичностью. Например, синапсис также можно укрепить с помощью процедуры, называемой долговременной потенциацией (LTP), при которой синапсис распределяет больше нейротрансмиттеров или формирует больше рецепторов нейротрансмиттеров. Точно так же передача сигнала в синапсисе может быть снижена при длительной депрессии (ДД).
Однако передачу сигналов можно не только усилить или ослабить; его также можно включить в первую очередь или полностью остановить. Например, сегодня нейробиологи знают, что синапсы могут быть полностью перестроены или демонтированы даже во взрослом мозге. В некоторых местах, например, в обонятельной системе, на протяжении всей жизни могут образовываться новые нервные клетки. Поэтому не будет преувеличением сказать, что наш мозг — это строительная площадка на всю жизнь.
Уплотнение и разрушение, наращивание и уменьшение — сила, с которой сигналы передаются между нервными клетками, постоянно регулируется.
Упрощенно можно представить себе, что передача сигналов усиливается, когда мозг что-то сохраняет, и ослабевает, когда что-то забывает. Сегодня многие нейробиологи разделяют мнение, что синаптическая пластичность лежит в основе обучения и памяти.
Без пластичности мозгу не хватало бы чего-то фундаментального: способности к обучению. Обучение очень похоже на спорт: чем больше нужен определенный навык, тем эффективнее он используется. Например, если вы водите такси, вам нужно хорошо ориентироваться и помнить маршруты. Ваша пространственная память будет улучшаться в результате вашей ежедневной работы. Это оставит следы в мозгу, например, в мозгу лондонских таксистов: исследователи обнаружили, что гиппокамп в их мозгу — область мозга, которая имеет решающее значение для пространственной памяти — со временем станет больше. Ясно, что пространственное чувство направления, тренируемое таким образом, требует большего пространства! До сих пор неизвестно, лучше ли память у таксистов вообще.
Пластичность также помогает мозгу хотя бы частично восстанавливать повреждения. Если при инсульте отмирают нервные клетки, то соседние области мозга могут частично взять на себя функции пораженного участка. Исследователи из Института когнитивных исследований человека и мозга им. Макса Планка обнаружили, что таким образом мозг может частично компенсировать повреждения после инсульта. Ученые из ряда Институтов Макса Планка исследуют, как мозг и его нервные клетки остаются пластичными.
Еще одна важная область исследований связана со связями мозга. Каждый из ок. 100 миллиардов нервных клеток в человеческом мозге получают сигналы от других клеток через древовидные структуры, называемые дендритами, и противопоставляют их друг другу. При этом они формируют свой собственный электрический сигнал, который клетка передает другой клетке с помощью нитевидного аксона.
Структура головного мозга
Человеческий мозг можно разделить по различным критериям. Его можно объяснить с точки зрения эволюции, так как, как и у всех позвоночных, он состоит из конечного мозга, межмозгового, среднего, заднего и продолговатого мозга.
Анатомически особенно заметны области, известные как головной мозг, межмозговое пространство и мозжечок, а также ствол мозга. Особенно поразительна кора головного мозга, входящая в состав конечного мозга. В ходе эволюции она разрослась настолько сильно, что окружает почти весь мозг. Благодаря своим гребням и изгибам кора головного мозга придает мозгу вид грецкого ореха.
Кора головного мозга также является домом для продвинутых умственных способностей. Отдельные области имеют разные задачи в процессе. Например, некоторые разделы специализируются на понимании языка, распознавании лиц или хранении воспоминаний. Однако обычно ни один регион не отвечает за определенный навык, поскольку он работает только в сочетании с другими. В коре головного мозга как соседние нервные клетки связаны между собой (локальная сеть), так и с клетками в удаленных друг от друга областях (глобальная сеть).
Ученые могут изучить, какие области мозга связаны друг с другом, с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ).
С помощью этой технологии они могут сделать видимыми структуры нервных клеток, сгруппированные в нити волокон, которые соединяют области коры головного мозга. Следуя этой процедуре, лингвисты обнаружили область мозга, имеющую решающее значение для языковых способностей: Fasciculus Articuatus. Без этого пучка нервных волокон малыши не могли составлять и понимать сложные предложения. Это возможно только тогда, когда эта связь достаточно развита. У человекообразных, напротив, эти нервные волокна остаются слабо развитыми на протяжении всей их жизни. В результате этим животным не удастся даже после многолетнего обучения составить даже самое простое предложение — несмотря на наличие других обязательных областей мозга и анатомические условия для речи.
С помощью разновидности этой технологии — так называемой функциональной магнитно-резонансной томографии — ученые могут различать активные и неактивные области мозга. При этом они многое узнали о структуре и функциях мозга. Например, исследователи Макса Планка из Лейпцига выяснили, почему у людей, которые заикаются, возникает дисбаланс между активностью левого и правого полушарий головного мозга.
значительно более выражены, чем у людей без языковых проблем. Чем сильнее так называемый лобно-косой тракт, тем сильнее человек будет заикаться.
Однако технологию МРТ нельзя использовать для создания точной карты схем головного мозга, поскольку точность метода недостаточно высока. Ведь в одной нервной клетке присутствует до 10 000 синапсов; общее число составляет 100 трлн. Это показывает, насколько плотна коммуникационная сеть в мозгу. В этой сети соседние нервные клетки могут быть связаны друг с другом, а также клетки, которые находятся далеко друг от друга. Распутать этот беспорядок локальных и глобальных связей — также известный как коннектом — является целью исследователей Макса Планка.
Коннектом – электрическая схема головного мозга
По этой причине ученые разрабатывают новые методы, которые помогут им расшифровать коннектом. Их моделями для этого являются мыши: недавно они исследовали схемы областей сетчатки, а также коры головного мозга и обнаружили, что нервные клетки в так называемой энторинальной коре организованы как транзистор: прежде чем нервная клетка может активировать другую ячейке, он контактирует с препятствующей клеткой, и поэтому его собственная активность подавляется.
С помощью таких схем ученые хотят узнать, как работает мозг. В Институтах Макса Планка уже работают над объяснением принципов обработки информации. В настоящее время они сосредоточены на мозге, который имеет более простую структуру и содержит меньше нервных клеток и волокон, чем человеческий мозг. Мыши — один из таких образцовых случаев для нейробиологов. Как и у млекопитающих, у них есть мозг, который устроен и функционирует аналогично человеческому. Используя его, исследователи могут исследовать все, от фундаментального функционирования нервных клеток до схем в коре головного мозга.
Мозг рыбок данио и их личинок имеет еще более простую структуру, и поэтому их легче исследовать. Мозг личинки рыбы, например, не просто имеет всего 100 000 нервных клеток — в миллион раз меньше, чем у человека, — он еще и почти полностью прозрачен. Таким образом, ученые могут заглянуть внутрь мозга с помощью своих микроскопов без хирургического вмешательства.
Беспозвоночные также могут служить моделью для нейробиологов.