Astrocyte metabolic programs diverge across primate evolution and are linked to species-specific neuronal development
Deze studie onthult dat astrocyten van mensen en niet-menselijke primaten divergente metabole programma's en secretomen vertonen, die leiden tot soortspecifieke verschillen in neuronale ontwikkeling en elektrofysiologische activiteit.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Het menselijk brein is een wonder van complexiteit, maar het is niet in isolatie geëvolueerd. Het groeide zij aan zij met de hersenen van onze nauwste levende verwanten, de grote mensapen, die miljoenen jaren geleden een gemeenschappelijke voorouder deelden. Hoewel menselijke neuronen beroemd groter en complexer zijn dan die van andere primaten, hebben wetenschappers zich lang op de neuronen zelf gericht om deze verschillen te verklaren. Ze hebben gekeken naar hoe hersencellen zich delen en hoe ze elektrische signalen afvuren, op zoek naar de genetische schakelaars die een chimpansee-brein in een menselijk brein veranderden. Echter, neuronen bestaan niet in een vacuüm. Ze worden omringd door een dicht netwerk van ondersteunende cellen die astrocyten worden genoemd. Deze cellen fungeren als de verzorgers van het brein; ze beheren de chemische omgeving, ruimen afval op en leveren de brandstof die neuronen nodig hebben om te functioneren. Lange tijd was de aanname dat deze ondersteunende cellen grotendeels hetzelfde waren over verschillende soorten heen, en slechts reageerden op de neuronen die ze ondersteunden. Maar een nieuwe lijn van onderzoek suggereert dat het ondersteunend personeel net zo verschillend van elkaar kan zijn als de sterren die zij verzorgen.
Een team van onderzoekers van het Salk Institute en de University of California, San Diego, besloot deze ondersteunende cellen van dichterbij te bekijken. Ze wilden weten of de manier waarop menselijke astrocyten hun interne chemie beheren, verschilt van de manier waarop astrocyten in chimpansees, bonobo's, gorilla's en apen dat doen. Om dit te ontdekken, kweekten ze hersencellen in het laboratorium, beginnend vanuit stamcellen afkomstig van mensen en diverse niet-menselijke primaten. Ze stuurden deze stamcellen om te veranderen in astrocyten, de sterachtige cellen die neuronen omhullen, en observeerden vervolgens hoe ze zich gedroegen. De onderzoekers ontdekten dat deze cellen niet slechts passieve toeschouwers zijn; ze hebben hun eigen, duidelijke metabole persoonlijkheden die veranderen naarmate ze rijpen. In het laboratorium ontwikkelden menselijke astrocyten zich langzamer dan die van hun primaten-tegenhangers, waarbij het langer duurde voordat ze verschenen in het groeiende hersenweefsel. Eenmaal gearriveerd, begonnen ze anders te handelen. Terwijl de astrocyten van andere primaten zich concentreerden op het bouwen van nieuwe moleculen vanaf de basis, veranderden de menselijke astrocyten van strategie door grote hoeveelheden van een eenvoudig sukermolecuul genaamd lactaat in hun omgeving vrij te geven.
Deze verschuiving in chemische strategie lijkt een kenmerkend aspect van de menselijke evolutie te zijn. De onderzoekers ontdekten dat de astrocyten van niet-menselijke primaten druk bezig waren met de synthese van serine en glycine, twee aminozuren die dienen als bouwstenen voor eiwitten en vetten. Deze cellen waren in essentie fabrieken die de grondstoffen produceerden die nodig zijn voor de constructie van complexe cellulaire structuren. In contrast hiermee leken de menselijke astrocyten enkele van deze productielijnen uit te schakelen. In plaats daarvan verhoogden ze de afgifte van lactaat, een stof die neuronen kunnen gebruiken als een snelle energiebron. De wetenschappers keken ook naar de eiwitten die deze cellen in hun omgeving uitscheiden. Ze ontdekten dat menselijke astrocyten een andere set signalen afgaven, waarvan er veel bekend staan om het stimuleren van neuronen om lange, vertakte armen te laten groeien. Dit suggereert dat menselijke astrocyten neuronen wellicht naar een meer complexe, onderling verbonden staat leiden, terwijl de astrocyten van primaten hen wellicht naar een snellere, meer volwassen staat duwen.
Om te testen of deze chemische verschillen daadwerkelijk de ontwikkeling van neuronen veranderden, voerden de onderzoekers een 'swap' uit. Ze namen menselijke neuronen die in een schaal werden gekweekt en voedden deze met de vloeibare omgeving die door primaten-astrocyten was gecreëerd. Het resultaat was onmiddellijk en opvallend. De menselijke neuronen, die normaal gesproken een lange tijd nodig hebben om te rijpen, vertoonden tekenen van elektrische activiteit veel eerder. Ze vuurden signalen vaker af en gedroegen zich meer als de volwassen neuronen van een chimpansee of een aap. Omgekeerd, toen de onderzoekers de productie van serine en glycine in de primaten-astrocyten blokkeerden, werd het effect op de menselijke neuronen verminderd. Dit gaf aan dat de specifieke chemische output van de astrocyten direct invloed had op de snelheid en de aard van de ontwikkeling van het neuron. De studie suggereert dat de evolutie van het menselijk brein niet alleen ging over het veranderen van de neuronen zelf, maar ook over het veranderen van het ondersteunende systeem dat hen omringt.
De bevindingen wijzen op een dieper verhaal over hoe onze hersenen werken. Menselijke neuronen staan erom bekend groter en complexer te zijn, wat meer energie en tijd vereist om te bouwen. De onderzoekers stellen voor dat menselijke astrocyten geëvolueerd kunnen zijn om deze complexiteit te ondersteunen door een constante stroom van lactaat voor energie en specifieke eiwitten te bieden om vertakking te stimuleren. Ondertussen lijken de astrocyten van andere primaten geoptimaliseerd voor een ander soort ontwikkeling, één die prioriteit geeft aan de snelle synthese van bouwstenen en snellere elektrische rijping. Dit verschil in de ondersteunende cellen helpt verklaren waarom menselijke hersenen langer nodig hebben om te ontwikkelen, maar uiteindelijk resulteren in een unieke architectuur. Het is een herinnering dat het brein een gemeenschap van cellen is, en de manier waarop deze cellen met elkaar communiceren via chemie is even belangrijk als de genetische code die ze dragen. Door deze subtiele verschillen in de werking van ondersteunende cellen te begrijpen, beginnen wetenschappers een duidelijker beeld te krijgen van wat de menselijke geest onderscheidt van de geesten van onze nauwste verwanten.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.