В ходе эволюции мозжечок развивался путем удвоения базовых модулей

Мозжечок — часть головного мозга позвоночных животных, занимающая всего 10% его объема, но при этом содержащая половину всех его нейронов. Так что мозжечок представляет очевидный интерес для нейробиологов, хотя информации о его структуре, функциях и эволюции на удивление мало. Этот пробел был в некоторой степени восполнен новым исследованием, выполненным командой из Стэнфордского университета. Разобравшись в экспрессии генов отдельных нейронов мозжечка, они выявили структурно-функциональную единицу его строения — унифицированный модуль. Этот модуль снабжен стандартным набором из трех классов тормозящих нейронов и двух классов возбуждающих нейронов. Эволюция мозжечка шла, по-видимому, за счет удвоения таких модулей и дальнейшей их специализации. У человека один из модулей — зубчатое ядро — оказался весьма специализированным, утратив один из классов возбуждающих нейронов за счет увеличения числа нейронов другого класса.

Мозжечок — часть древнего ствола мозга, которая отвечает за моторную функцию тела и поддержание тонуса. В последнее десятилетие стало понятно, что с работой мозжечка связан процесс обучения, организация памяти, внутренняя модель себя и, возможно, другие когнитивные функции.

Мозжечок присутствует у всех челюстноротых позвоночных. Он состоит из наружной коры с многочисленными извилинами и отдельных внутренних ядер. Кора слагается из трех слоев с различными морфологическими типами нейронов, несущими импульсы из остальных частей головного и спинного мозга. В толще белого вещества мозжечка находятся скопления серого вещества — ядра, именно к ним и идет информация от нейронов коры. В каждой половине мозжечка различают зубчатое, пробковидное, шаровидное ядра и ядро шатра (рис. 1). Кора относительно консервативна у позвоночных, то есть, несмотря на увеличение размеров от рыб к млекопитающим, нейронные пути в ней организованы более или менее сходным образом.

С ядрами мозжечка все по-другому. У бесчелюстных позвоночных (это известные всем миноги и миксины) мозжечок имеется, однако в нем присутствует лишь предшественник коры, а ядер нет. У хрящевых рыб и амфибий имеется одна пара мозжечковых ядер (ядра шатра), у рептилий и птиц — две пары (нет зубчатого ядра), а у млекопитающих к имеющимся двум парам добавляется еще одна пара зубчатых ядер (у плацентарных млекопитающих пробковидное и шаровидное ядра объединены в одно). У человека зубчатое ядро сильно разрастается, оно в 17 раз больше, чем у других млекопитающих. Исходя из этого, имеет смысл соотнести эволюцию мозжечка с эволюцией его ядер.

Это проделали нейробиологи из Стэнфордского университета под руководством Ликуна Луо (Liqun Luo) и Стивена Куэйка (Stephen Quake). Как это бывает со всеми современными значительными публикациями по нейробиологии, потребовалась огромная по масштабу работа. И просто трудоемкая и аккуратная, но и совершенно новаторская. От анатомии и морфологии, от тканей и нейронных проекций ученые сдвинулись на клеточный уровень анализа. Решено было изучать экспрессию генов в ядрах мозжечка, но не в тканях и слоях, как это делали прежде, а в его отдельных клетках. В итоге получилась топография экспрессии с очень высоким разрешением. В любых научных исследованиях увеличение разрешения дает удивительные результаты, так вышло и на этот раз.

Начали с мозжечка крысы. Сначала с помощью точечных инъекций (для визуализации использовали специальный вирусный носитель со встроенным светящимся белком, подробности метода описаны в статье S. W. Oh et al., 2014. A mesoscale connectome of the mouse brain) в ядра мозжечка посмотрели, куда из них идут аксоны. Даже без всяких генов выявилась любопытная картина. Проекции из каждого ядра оказались сходными, то есть аксоны направляются в одни и те же области мозга. Но! — области их окончаний хоть и находятся рядом, однако сдвинуты относительно друг друга. В этом смысле проекции зубчатого и промежуточного ядра больше схожи между собой, чем с ходом аксонов ядер шатра. Результат интригующий, но на этом этапе не стало яснее, что бы такой сдвиг проекций мог означать.

Для решения этой загадки нейробиологи отобрали побольше нейронов из каждого ядра, и уже в каждом отдельном нейроне посмотрели экспрессию генов. Даже неудобно, что вся эта колоссальная работа обрисована одним предложением — ее подробное описание лучше посмотреть в разделе «Методы» обсуждаемой статьи, так как она включает многоступенчатый процесс специальной окраски клеток, отделения клеточных ядер, а затем создание комплементарных кусочков ДНК на одноцепочечной матрице. Как оказалось, в каждом ядре мозжечка существует четыре основных типа экспрессии — три тормозящих и один возбуждающий. Во всех трех ядрах мозжечка набор тормозящих нейронов одинаковый. Зато возбуждающие нейроны различаются весьма значительно, формируя целых 15 транскриптомных типов. При этом в каждом ядре мозжечка свой набор транскриптомных типов. Так же, как и в картине аксонных проекций, промежуточное ядро и зубчатое больше похожи друг на друга по характеру транскрипции, чем на ядро шатра.

На этом этапе работы задачка с ядрами мозжечка запуталась еще больше: мало того, что проекции нейронов сдвинуты друг относительно друга, так еще и возбуждающие нейроны в каждом ядре свои.

Ученые рассудили следующим образом. Если ядра мозжечка происходит от одного предшественника — наиболее древнего ядра шатра, то и клеточные транскриптомные типы тоже должны иметь предковый транскриптомный тип, общий для всех. Данную гипотезу можно проверить, построив кладограмму транскриптомных типов по набору различий в экспрессии (рис. 2). На этой кладограмме выделились два класса транскриптомов (обозначенных в работе буквами A и B). Нейроны этих классов, как выяснилось, различаются не только по картине экспрессии генов, но еще по разнообразию физиологических свойств (последнее естественно следует из различий в экспрессии). Что важно, нейроны классов A и B присутствуют в каждом ядре мозжечка — от одного до трех типов нейронов обоих классов в каждом ядре. Распределение классов A и B по ядрам нигде не обнаруживает специфической картины. Авторы работы предположили, что клетки обоих классов могли самостоятельно специализироваться в каждом из ядер, иначе распределение транскриптомных типов было бы единообразным во всех ядрах, как это получилось с тормозящими нейронами.

Ключевой вопрос здесь — за счет каких процессов клетки классов A и B дивергировали? Авторы привлекли к анализу еще один блок информации, касающийся подразделений самих ядер. Известно, что ядрах мозжечка есть свои функционально-морфологические подразделения. Ядро шатра делится на три части, промежуточное ядро — на две части, а зубчатое не имеет подразделений. Только когда авторы наложили картину клеточных типов на эти подразделения, кое-что стало проясняться. Каждому подразделению ядра соответствует специфический набор нейронов из классов A и B, по одному из каждого класса. Если построить филогенетические деревья по транскриптомам (признаками будут транскриптомы) и по их топологии в подразделениях ядер (признаками будут локализации типов транскриптомов), то в обоих случаях получатся деревья с двумя корнями — один для класса A, а другой — для класса B. Это значит, что в предковом прообразе мозжечкового ядра присутствовали нейроны обоих транскриптомных классов. Авторы выводят отсюда новое понимание подразделений мозжечка — это цитоархитектурные единицы, несущие стандартный набор нейронов: три класса унифицированных тормозящих нейронов и два класса специфических возбуждающих нейронов.

Итак, теперь в рассуждениях об эволюции ядер уже можно опираться на эти базовые структурно-функциональные единицы. Если эволюция мозжечка шла с упором на эти базовые подразделения, то они должны обнаружиться и у других позвоночных. Исследователи рассмотрели мозжечки курицы и людей: курицу взяли как пример менее продвинутых позвоночных, а человека — в качестве эволюционно продвинутого позвоночного по сравнению с крысой.

В мозжечке курицы имеется только ядро шатра и промежуточное ядро. При этом ядро шатра подразделяется на три части, как и соответствующее ядро крысы, а промежуточное ядро не разделяется на видимые части. В этих ядрах рассмотрели экспрессию в отдельных нейронах по той же схеме, что и у крысы. У курицы нашлись те же транскриптомные классы A и B возбуждающих нейронов и те же классы тормозящих нейронов. Их локализация повторяла картину распределения классов A и B в мозжечке крысы. Также в ростральной части мозжечка обнаружилась небольшая зона, никак анатомически не обозначенная, с нейронами, экспрессирущимися по типу зубчатого ядра крысы. И в ней тоже выявили нейроны классов A и B. Основываясь на этих данных, авторы заключили, что эволюция мозжечка шла за счет удвоения базовых субъединиц со стандартным набором нейронов, которые могли затем специализироваться.

Неожиданные результаты дал аналогичный анализ мозжечка человека, казалось бы изученного-переизученного медиками и анатомами (в обсуждаемой работе нейробиологи исследовали мозжечки трех умерших людей). У человека в ядре шатра и промежуточном ядре имеются, как выяснилось, те же транскриптомные классы возбуждающих нейронов и примерно те же ингибиторные классы нейронов (авторы отмечают, что число ингибиторных нейронов одного типа заметно увеличено). Но вот в зубчатом ядре, которое у человека существенно расширено, нейронов класса A не обнаружено. Из зубчатого ядра возбуждение передается только по нейронам класса B. В ходе становления человеческого мозга нейроны класса B вытеснили нейроны класса A.

Возбуждение из зубчатого ядра направляется в область таламуса, а оттуда идет в ассоциативные поля лобной доли коры мозга, ответственные за формирование пространственной рабочей памяти, образов, точных расчетов, аппроксимаций и многого другого. Также проекции из зубчатого ядра находятся в связанных с речью зоне Брока и области Вернике, зоне островка, оформляющего в частности, чувства отвращения и эмпатии, а также ощущения собственного тела и движений. Все эти функции у человека получили наивысшее развитие, так что не удивительно, что усиленно развивались все области мозга, обслуживающие данные функции. А это не только лобная кора, центры речи и островок, но и области, откуда в них поступают сигналы, в частности, из зубчатого ядра. По всей видимости, нейроны класса B наилучшим образом подходят для передачи сигналов из мозжечка в кору больших полушарий и таламус. Поэтому с развитием коры именно класс B начал умножаться ускоренными темпами и стал доминирующим в зубчатом ядре.

Подытожим результаты этой огромной работы. На старте исследований было известно, что число парных ядер мозжечка по ходу эволюции позвоночных увеличивается от нуля у бесчелюстных рыб, до двух у птиц и рептилий и до трех-четырех у млекопитающих, и, кроме того, что у человека сильно увеличивается одно из ядер. Ученые решили классифицировать нейроны в ядрах мозжечка по набору работающих генов (по их экспрессии или по их транскриптому). Они выяснили, что во всех ядрах мозжечка имеется три класса ингибиторных нейронов и один — возбуждающих нейронов. Ингибиторные нейроны всюду относительно сходны, а вот возбуждающих нейронов нашлось 15 типов. Эти 15 типов распадаются на два класса (A и B), различные не только по транскриптому, но и по своим физиологическим свойствам. Во всех ядрах обязательно присутствуют и нейроны класса A, и нейроны класса B, однако в каждом из подразделений ядер нейроны относятся к разным типам.

Отсюда следует два вывода. Первый: эволюционирующей единицей мозжечка является подразделение ядра, имеющее унифицированный набор исходящих нейронов — ингибиторные, принадлежащие к трем классам, и возбуждающие, принадлежащие к двум классам. Второй вывод касается эволюции мозжечка: она шла за счет удвоения базовой единицы и ее дальнейшей специализации. И наконец, в человеческой линии эволюции мозга наибольшее развитие получило одно из ядер мозжечка, зубчатое, и только один из классов возбуждающих нейронов, класс B. Это пример резкой специализации функций мозжечка. А обсуждаемое исследование сильно меняет наши представления о мозжечке и его эволюции.

Источник: Justus M. Kebschull, Ethan B. Richman, Noam Ringach, Drew Friedmann, Eddy Albarran, Sai Saroja Kolluru, Robert C. Jones, William E. Allen, Ying Wang, Seung Woo Cho, Huaijun Zhou, Jun B. Ding, Howard Y. Chang, Karl Deisseroth, Stephen R. Quake, Liqun Luo. Cerebellar nuclei evolved by repeatedly duplicating a conserved cell-type set // Science. 2020. DOI: 10.1126/science.abd5059.

Елена Наймарк

Источник: elementy.ru

. .