Den australiska skäggiga draken Pogona vitticeps. Kredit:Max Planck Institute for Brain Research / G. Laurent
Dessa dagar håller drakar "Game of Thrones"-fans på tårna. Men de ger också viktiga insikter om utvecklingen av ryggradsdjurs hjärna, som avslöjats av Max Planck-forskares arbete på hjärnan hos den australiska skäggiga draken Pogona vitticeps. Rygggradsdjurens evolution tog en stor vändning för 320 miljoner år sedan när tidiga tetrapoder (djur med fyra lemmar) övergick från vatten till land, vilket så småningom gav upphov till tre stora klader:reptilerna, fåglarna (en utlöpare av reptilträdet) och däggdjuren. På grund av gemensamma härkomster delar hjärnan hos alla tetrapoder en liknande basal arkitektur som etablerades under tidig utveckling.
Ändå är det oklart hur variationer på denna vanliga "Bauplan" bidrog till kladdespecifika attribut. Neuroforskare vid Max Planck Institute for Brain Research i Frankfurt tacklade denna fråga genom att skapa en molekylär atlas av drakhjärnan och jämföra den med en från möss. Deras resultat tyder på att, i motsats till vad många tror att en däggdjurshjärna består av en uråldrig "reptilhjärna" kompletterad med nya däggdjursegenskaper, har både reptil- och däggdjurshjärnor utvecklat sina egna kladspecifika neurontyper och kretsar, från en gemensam förfädersuppsättning.
"Neuroner är de mest skilda celltyperna i kroppen. Deras evolutionära diversifiering återspeglar förändringar i de utvecklingsprocesser som producerar dem och kan driva förändringar i de neurala kretsar de tillhör", säger professor Gilles Laurent, direktör vid Max Planck Institute for Brain Research som ledde den nya studien publicerad i Science .
"Till exempel fungerar inte distinkta hjärnområden isolerat, vilket tyder på att utvecklingen av sammankopplade regioner, såsom thalamus och hjärnbarken, på något sätt kan vara korrelerad. Dessutom ett hjärnområde hos reptiler och däggdjur som härrör från en gemensam släktstrukturen kan ha utvecklats på ett sådant sätt att den förblir uråldrig i den ena kladden idag, medan den är "modern" i den andra. Omvänt kan det vara så att båda kladerna nu innehåller en blandning av vanliga (urgamla) och specifika (roman) neurontyper. Det här är den sortens frågor som våra experiment försökte lösa", tillägger Laurent.
Medan traditionella metoder för att jämföra utvecklingsregioner och projektioner i hjärnan inte har den nödvändiga upplösningen för att avslöja dessa likheter och skillnader, tog Laurent och hans team ett cellulärt transkriptomiskt tillvägagångssätt. Med hjälp av en teknik som kallas encellig RNA-sekvensering som detekterar en stor del av de RNA-molekyler (transkriptomer) som finns i enstaka celler, skapade forskarna en atlas av celltyp av hjärnan hos den australiensiska skäggdraken Pogona vitticeps och jämförde den med befintliga mus. hjärndatauppsättningar.
Max Planck-forskare genererade en celltypsatlas från hjärnan på en ödla och beräkningsmässigt integrerade dessa data med mustransciptomics, vilket gav att flera hjärnområden innehåller blandningar av liknande och divergerande neuroner. Kredit:Max Planck Institutet för hjärnforskning / G. Laurent; Hain et al.
Transkriptomiska jämförelser avslöjar delade klasser av neurontyper
"Vi profilerade över 280 000 celler från Pogonas hjärna och identifierade 233 olika typer av neuroner", förklarar David Hain, doktorand i Laurent Lab och medförfattare till studien. "Beräkningsintegration av våra data med musdata avslöjade att dessa neuroner kan grupperas transkriptomiskt i vanliga familjer, som förmodligen representerar förfäders neurontyper", säger Hain. Dessutom fann han att de flesta områden i hjärnan innehåller en blandning av vanliga (urgamla) och specifika (nya) neurontyper.
Doktorand Tatiana Gallego-Flores använde histologiska tekniker för att kartlägga dessa celltyper i hela drakhjärnan och observerade (bland annat) att neuroner i thalamus kunde grupperas i två transkriptomiska och anatomiska domäner, definierade av deras anslutning till andra delar av hjärnan. Eftersom dessa anslutna regioner har haft olika öden hos däggdjur och i reptiler, var en av dessa regioner mycket divergerande, vilket visade sig vara mycket intressant att jämföra thalamiska transkriptomerna för dessa två domäner. Det avslöjade faktiskt att transkriptomisk divergens matchade målregionernas.
"Detta tyder på att neuronal transkriptomisk identitet i viss mån återspeglar, åtminstone delvis, en regions långväga anslutning till dess mål. Eftersom vi inte har hjärnan från forntida ryggradsdjur, rekonstruerar hjärnans utveckling under den senaste halva miljarden år. kommer att kräva att man kopplar samman mycket komplexa molekylära, utvecklingsmässiga, anatomiska och funktionella data på ett sätt som är självständigt. Vi lever i mycket spännande tider, eftersom detta börjar bli möjligt", avslutar Laurent. + Utforska vidare
