De ce nu poți afla despre creierul uman de la maimuțe, șobolani și șoareci

O mare parte din cheltuielile de cercetare în neuroștiințe și rezultatele publicate se referă la studii făcute pe șobolani, șoareci și maimuțe. Rezultatele acestora sunt în general prezentate ca fiind universal reprezentative pentru funcția creierului între specii. Cu siguranță, toate creierele mamiferelor au unele asemănări structurale și funcționale, iar aceste sisteme oferă informații despre natura proceselor celulare. Mai mult, cel puțin morfologic, neuronii arată asemănător. Toate acestea pot fi extrem de utile în experimentarea tehnicilor și înțelegerea conceptelor generale. Dar extrapolarea descoperirilor specifice de la aceste creaturi la oameni poate fi înșelătoare.

Este evident pentru toată lumea că creierul uman produce mai multe capacități unice decât alte specii. Întrebarea este la ce nivel se manifestă aceste diferențe și unde trebuie să trasăm granițele extrapolării.

Abordări la nivel celular pentru înțelegerea funcției creierului

Există trei domenii majore de studiu ale funcției creierului la nivel celular – expresia genelor, care dictează setul de instrumente moleculare și componentele pe care celula le construiește și le folosește pentru a forma conexiuni și a-și modula activitatea, plasticitatea sinaptică, care analizează modul în care neuronii se conectează și modifică natura conexiunilor lor ca răspuns la stimuli, și activitatea de creștere – tipurile de modele temporale pe care le produce ca răspuns la un stimul sau în asociere cu comportamente.

Studierea plasticității sinaptice și a tiparelor de vârf a neuronilor sunt extrem de invazive și necesită acces direct la țesut. Majoritatea experimentelor se fac prin extragerea țesutului din creierul șoarecilor și șobolanilor și creșterea acestuia într-o farfurie. Acestea se numesc experimente in vitro , adică făcute într-un vas și necesită sacrificiul animalului. O altă abordare implică deschiderea sau găurirea găurilor în craniile șoarecilor, șobolanilor sau maimuțelor pentru a plasa electrozi sau a livra material genetic care produce molecule (de exemplu, cele care fluoresc) care permit imagistica celulară. În acest caz, puteți studia activitatea celulelor și țesuturilor in vivo sau în timp ce animalul este treaz și se comportă. Cu toate acestea, nici activitatea sinaptică, nici vârful neuronal nu pot fi studiate cu ușurință la oameni, cu excepția cazului în care sunt supuși unei intervenții chirurgicale pe creier în alt scop și sunt de acord cu o sondare experimentală care vine în mod natural cu riscuri. Expresia genelor, pe de altă parte, este mai ușor de studiat la toate speciile folosind probe de țesut post mortem și este strâns legată de plasticitatea sinaptică și de declanșarea vârfurilor.

Expresia genelor în creierul uman în raport cu alte specii

Creierul uman exprimă un repertoriu mult mai mare de gene decât orice altă specie. Un studiu arată până la 2014 gene care sunt exprimate diferențial în creierul uman în raport cu creierul cimpanzeilor (Khaitovich et al). Mai mult, aceste gene sunt răspândite în toate procesele celulare cunoscute, de la diferențierea și dezvoltarea neuronală până la transmisia sinaptică și transducția semnalului și chiar procesele metabolice. Acesta este un indiciu puternic că celulele au unele diferențe destul de globale în modul în care funcționează. De asemenea, sunt de remarcat rezultatele de la Institutul Allen privind diferențele în expresia genelor dintre șoarece și oameni. Ei au descoperit că modelele de expresie a genelor asociate cu diverse boli la oameni, cum ar fi Alzheimer, nu sunt observate la șoareci, sugerând că acesta este unul dintre motivele pentru care medicamentele care funcționează pentru creierul șoarecelui adesea nu funcționează la oameni.

Interesant este că Khaitovich et al (grupul lui Svante Paabo) au găsit, de asemenea, o diversitate destul de mare în rândul oamenilor, afirmând că diferențele dintre regiunile creierului din orice individ sunt mult mai mici decât diferențele dintre indivizi. Un alt studiu mai recent arată că neuronii individuali își editează genele și, prin urmare, pot avea modele de expresie foarte diferite de la o celulă la alta. În cele din urmă, comportamentul sau contextul de mediu poate schimba modelele de expresie a genelor (citiți mai multe aici). Aceste multe surse de diversitate celulară și diversitatea în general mai mare a experiențelor în rândul oamenilor în comparație cu alte specii adaugă un alt nivel de complexitate.

Toate acestea înseamnă că creierul este fundamental diferit și extrem de divers la oameni în comparație cu alte specii. Ceea ce funcționează pentru șoareci și maimuțe nu este probabil să funcționeze pentru oameni, iar ceea ce funcționează pentru o persoană poate să nu funcționeze nici măcar pentru alta.

Povestea glia

Marea poveste care ar putea apărea, totuși, este că cele mai mari diferențe nu sunt în neuroni, care sunt celulele implicate în semnalizarea electrică rapidă, ci în glia. Celulele gliale depășesc numărul neuronilor din creierul uman cu aproape 1,4 ori, dar s-a crezut mult timp că joacă doar un rol de menaj. Un studiu de la laboratorul Nedergaard a arătat că astrocitele umane (un tip de celulă glială) au de 2,6 ori mai mari în diametru, extind de 10 ori mai multe procese la om și vin în subtipuri mult mai complexe decât la șoareci. De asemenea, propagă undele Ca2+ de 4 ori mai repede decât cele de la șoareci. Studiile din laboratorul lui Ben Barres arată că glia joacă un rol mai semnificativ și mai activ în modularea comportamentului neuronilor decât se credea anterior. Cea mai interesantă dintre aceste descoperiri, totuși, este că astrocitele umane răspund mult mai robust la glutamat în comparație cu șoarecii (Zhang et al). Glutamatul este cea mai omniprezentă moleculă de semnalizare neuronală din creier, ceea ce sugerează că glia poate avea un rol mai mare în modelarea dinamicii electrice a creierului uman.

Având în vedere aceste diferențe între glia umană și cea a șoarecilor, poate că nu este surprinzător faptul că expresia genelor diferă cel mai mult între șoarece și oameni este în glia și nu în neuroni. Un studiu realizat de Hawrylycz et al de la Institutul Allen arată diferențe mai mari între expresia genelor non-neuronale, Zhang et al (laboratorul Barres) au arătat diferențe mari în expresia genică a astrocitelor la șoareci și oameni, iar laboratorul Pavlidis a observat că modelele de expresie a genelor între neuroni și oligodendrocite (un alt tip de celulă glială) au fost de fapt schimbate.

Aceste rezultate sugerează că celulele creierului uman se pot comporta total diferit. Ne-am putea imagina analogia că studierea unui tip de atom pentru a deduce proprietățile altuia ar putea să nu fie cea mai bună abordare și, prin analogie, studierea neuronilor de la un tip de animal pentru a deduce ceva despre altul. Acest lucru face ca abordarea de jos în sus să fie extraordinar de complicată și pune la îndoială relevanța pentru oameni a majorității rezultatelor fiziologiei obținute de la alte specii.

Unde mergem de aici?

O mare parte din cercetarea pe animale își are rădăcinile într-un cadru reducționist care postulează că, pentru a înțelege un sistem, trebuie să cunoști funcția și comportamentul elementelor sale. Se poate deduce apoi comportamentul general al sistemului. Dacă ar fi să subscriem la un astfel de cadru, atunci, având în vedere ceea ce știm despre diferențele dintre animale și oameni, ar trebui să ne asumăm sarcina uriașă de a înțelege nu doar un neuron dintr-un om, ci miliarde de neuroni și glia care sunt potențial unice genetic la fiecare om. Sarcina este din punct de vedere tehnic uriașă.

Și, desigur, există întrebarea dacă o abordare de jos în sus este chiar calea corectă pentru ceea ce vrem să realizăm în înțelegerea creierului uman. Luați în considerare că atunci când vrem să înțelegem proprietățile unui material care descriu natura și utilitatea sa, ceea ce contează sunt caracteristicile sale macro, cum ar fi culoarea și duritatea. Nu căutăm să le prezicem prin măsurarea spinilor electronilor fiecărui atom și a energiilor lor de legătură (care ar putea funcționa bine uneori, dar ar fi atât excesiv de costisitoare, cât și provocatoare din punct de vedere tehnic), ci mai degrabă căutăm instrumente de măsurare la nivel de sistem care sunt mult mai ușoare și, în cele din urmă, mai informative. În mod fundamental, totul se rezumă la ceea ce încercăm să realizăm și la modul în care vrem ca știința să contribuie la înțelegerea și îngrijirea creierului uman de către umanitate.