A címben olvasható az evolúcióbiológia egyik legizgalmasabb kérdése. Úgy is megfogalmazhatnánk: hogyan alakult ki az emberi értelem az evolúció során? Az emberi intelligencia hátterében kiemelt szerepe van a prefrontális kéregnek, ezért sokan úgy vélik, hogy a homloklebeny részét képező agykérgi terület fejlődésének feltárása megmutatja az emberi értelem forrását is. Egy amerikai kutatócsoport két új beszámolót publikált, melyek az emberi prefrontális kéreg kialakulását lehetővé tévő folyamatokról rántották le a leplet.
A prefrontális kérget nem véletlenül kötik a kutatók az emberi értelemhez. Az agykéreg és a legmagasabb rendű kognitív képességek kapcsolata már a XIX. században nyilvánvalóvá vált. Ekkoriban számos vizsgálat mutatta ki, hogy az agykéreg különböző területei nélkülözhetetlenek a tudatos élmények kialakulásához. Fritsch és Hitzig például a kutya mozgatókérgét fedezték fel, David Ferrier pedig a hallókérget. Az azóta eltelt időben rengeteg eredmény erősítette meg, hogy a legkomplikáltabb mentális képességekhez az agykéreg bizonyos részei szükségesek.
A prefrontális kéreg és az emberi értelem
Az utóbbi néhány évtizedben a prefrontális kéreg jelentősége is körvonalazódni kezdett, a 1980-as években kiderült, hogy a munkamemóriához nélkülözhetetlen. Egy klasszikus vizsgálati elrendezésben a csimpánzok két rekesz közül választhatnak. A próba előtt belenézhetnek mindkét rekeszbe, melyek közül az egyikben finom falatot láthattak. A rekeszeket ezután letakarták, majd néhány másodperc elteltével a kísérleti állatok választhattak a rekeszek közül. Az egészséges állatok minden esetben sikeresen megszerezték a jutalmat, azonban a sértett prefrontális kérgű állatok nem voltak ilyen sikeresek. Azóta kiderült, hogy a prefrontális kéreg az embereknél olyan feladatok során aktiválódik, melyek komplikált szabályok figyelembevételét igénylik. Ezek az ún. kontrollfunkciók és a munkamemória az IQ-val is szoros kapcsolatban vannak.
Mindez azt sugallja, hogy a prefrontális kéreg az embernél lehet a legnagyobb kiterjedésű és valóban ez a helyzet. A prefrontális kéreg ugyan megtalálható például a rágcsálók agyában is, ezeknél az állatoknál jóval kisebb a relatív mérete. Talán ha megértenénk hogyan növekedett meg a prefrontális kéreg relatív mérete a főemlősök és különösen az ember agyában, akkor arról is többet tudnánk, hogyan alakult ki az emberi intelligencia.
Hogyan függ össze a génkifejeződés szabályozása és az evolúció?
Az evolúció lényegében az élőlények változatosságán alapul. Ha egy élőlénycsoport elég változatos, akkor valószínűsíthető, hogy a környezet bizonyos tényezői egyes egyedeket előnyhöz juttatnak, másokat pedig hátráltatnak. Ennek köszönhetően az előnyös tulajdonságokkal rendelkező egyedek talán több utódot hoznak létre és így a tulajdonság gyakoribbá válik a populációban.
Az élőlények változatosságának alapja a genetikai kód ruganyosságában keresendő. A kód átírása során mutációk léphetnek fel, melyek eredményeképp megváltozik a gén által kódolt fehérje működése. Ezek a fehérjék lehetnek közvetlen kapcsolatban valamilyen tulajdonsággal (pl. festékanyagot előállító enzim), de ez nem mindig ilyen egyszerű. A fehérjék egy részének az a feladata, hogy a többi gén átírását szabályozzák. Ezen fehérjék némelyike csak egy vagy néhány gén kifejeződését befolyásolja, ám vannak olyanok is, melyek számos különböző génre hatnak. Előbbieket cisz, utóbbiakat transz regulátoroknak nevezik.
Mitől más az emberi prefrontális kéreg?
Feltételezhető, hogy az emberi egyedfejlődés során a prefrontális kéreg kialakulását elősegítő gének a törzsfejlődés során is jelentős szerephez juthattak a prefrontális kéreg fokozatos kiterjedésében. Egy amerikai kutatócsoport erre a gondolatra alapozva összehasonlította az emberi agykéreg különböző területein a korai egyedfejlődés során kifejeződő géneket. Ehhez egy amerikai adatbázist használtak, mely a fejlődő emberi agy összes régiójának génexpressziójára vonatkozó adatokat tartalmazza (brainspan.org). Az adatbázis segítségével megállapították, hogy azon a prefrontális kéregben nagy mennyiségben kifejeződő gének egy jelentős része a retinsav szabályozása alatt áll.
Mi az a retinsav?
A retinsav az A-vitamin anyagcsereterméke. A gerinchúros állatok fejlődése során alapvető szerepe van a fej-farok tengely létrehozásában. A retinsav a génkifejeződés transz regulátora, hiszen számos gén kifejeződését szabályozza egyidejűleg. Ez a gyakorlatban úgy valósul meg, hogy a retinsav a receptorához köt, majd ez a receptor köt a DNS bizonyos pontjaira, hogy fokozza vagy serkentse a gének átírását.
A kutatók ezután megvizsgálták, hogy mekkora mennyiségben fordul elő a retinsav az egerek, makákók és az emberek agyában. Azt találták, hogy az embereknél van jelen a legnagyobb koncentrációban, viszont mindegyik fajnál a prefrontális kéregben volt belőle a legtöbb az agyban.
A következő vizsgálatokban a kutatók egérembrióknál zavarták meg a retinsavhoz köthető jelátvitelt. Géntechnológiai módszerekkel először olyan embriókat hoztak létre, melyeknél nem volt működőképes a retinsav receptora. Ez a receptor szükséges ahhoz, hogy a retinsav kifejtse a génexpressziós hatását egy sejten. Ezeknél az állatoknál a prefrontális kéreg génkifejeződési mintázata jelentősen megváltozott, ami a mikrostruktúrát is értintette. Lecsökkent a neuronok dendrittüskéinek száma, ami arra utal, hogy a szinaptikus kapcsolatok mennyisége csökkent (a dendrittüskék adnak otthont a legtöbb ilyen kapcsolatnak).
A kutatók ezután olyan embriókat vizsgáltak, melyekből hiányzott az enzim, amely normálisan lebontja a retinsavat. Ez az enzim normálisan a retinsav mennyiségét szabályozza, az enzim hiánya tulajdonképpen a retinsav mennyiségének megnövekedésével egyenértékű. Ezeknél az állatoknál megnövekedett a prefrontális kéregben lévő szinapszisok száma. Ezek a kísérletek tehát alátámasztották, hogy a retinsav mennyiségének megnövekedése előidézhette a prefrontális kéreg kiterjedését, hiszen a kapcsolatok számának megnövekedése feltehetőleg ennek egy részfolyamata.
A génkifejeződés szabályozásának szimfóniája
A kutatók az első kísérletsorozat eredményeire alapozva egy másik anyagot is készítettek. A vizsgálatok szerint a retinsav több fehérje, köztük a cerebellin nevű kifejeződését is megnöveli. A kutatók egy másik hatalmas adatbázishoz fordultak (Encyclopedia of DNA Elements), amely az egér és az ember DNS-ének átíródására vonatkozó információkat tartalmazza. Az adatbázis szerint a cerebellin génjének (Cbln1) közelében található egy erősítő elem, amelyhez hozzákötődhet a retinsav receptora. Ez az erősítő elem a transzkripció cisz regulátora, amely kifejezetten a cerebellin kifejeződését fokozza.
A kutatók ugyanakkor azt is észrevették, hogy a DNS-en a közelben represszor hely is található. A represszor helyre bekötő fehérje a Cbln1 gén átírását gátolja. Érdekes módon azonban ez a szakasz csak az egér DNS-ében volt jelen, a makákók és az ember DNS-éből hiányzott. A kutatók olyan génmódosított egereket is létrehoztak, melyeknél a cerebellin kifejeződését befolyásoló represszor szakaszt kivágták. Ezeknél az állatoknál a prefrontális kéregben lévő szinapszisok száma megnövekedett.
Az új eredmények tehát arra utalnak, hogy a prefrontális kéreg kiterjedésében a transzkripció szabályozásának cisz és transz elemei is fontos szerepet játszhattak. A retinsav transz elemként egy sor gén kifejeződését befolyásolja, miközben ezeknek cisz szabályozói is vannak. A retinsav mennyisége valamilyen okból kifolyólag megnőtt, a cerebellin represszora viszont kitörlődött a DNS-ből. Ez a két hatás együttesen azt eredményezte, hogy a prefrontális kéreg területén megnövekedett a szinapszisok száma. A szinapszisok számának megnövekedése arra utal, hogy a terület kapcsolatrendszere kiterjed, ami minden bizonnyal a területi megnövekedésnek is előfeltétele. Ez voltaképpen csak néhány hang a génkifejeződés szabályozásának bonyolult szimfóniájából.
Ez a cikkem az Élet és Tudomány 2021/47. számában, az Agyi aktualitások rovatban jelent meg.
Forrás
The genetic symphony underlying evolution of the brain’s prefrontal cortex (nature.com)
