Klávesové zkratky na tomto webu - základní­
Přeskočit hlavičku portálu

Vznikly inteligentní „supermyši“. Dostaly lidské mozkové buňky

aktualizováno 
Při hledání odpovědi na otázku, jak se lidský mozek dopracoval evolucí svých jedinečných schopností, věda dlouho tápala. Teď začínáme tajemství lidského mozku pomalu odhalovat. A na pohled překvapivě k tomu výrazně přispívají pokusy na hlodavcích.

Dobře se rozmyslete, dámy. Který gen chcete přepsat? | foto: Profimedia

Genetici byli dlouho přesvědčeni, že jedinečnost člověka a jeho mozku vyčtou z lidského genomu. Když se rozběhlo čtení kompletní dědičné informace člověka, byly již známy genomy jednodušších organismů. Vědělo se například, že primitivní hlístice Caenorhabditis elegans má asi 20 000 genů. Člověka dělí od tohoto červíka evoluční propast. Proto genetici odhadovali počet genů pána tvorstva na 80 000 až 120 000. K jejich velkému překvapení ale dokážeme létat na Měsíc, skládat hudbu nebo objevit penicilin s pouhopouhými 23 000 genů. Početná armáda genů zodpovědná za naše „člověčenství“ se ukázala jako pouhá iluze.

Vědci toužící odhalit základy jedinečnosti člověka proto upírali naděje k projektu na čtení genomu šimpanze. Zdálo se, že z rozdílů v genetické informaci člověka a lidoopa snadno vyčteme, díky čemu máme nad našimi nejbližšími živočišnými příbuznými navrch. Ani tahle vize se nenaplnila.

Vědci proto zatoužili po genomu ještě bližšího příbuzného člověka Homo sapiens – po kompletní dědičné informaci neandrtálce. I tento úkol nakonec zvládli, ale ani pak neuměli ukázat na místa lidského genomu, kterým vděčíme za to, že jsme s to vytvořit civilizaci.

Teprve v poslední době se vědci dostávají na stopu genů, které pozvedly člověka z živočišné říše. Často jim k tomu dopomáhají pokusy na relativně „hloupých“ laboratorních myších.

Už dříve se ukazovalo, že efekty některých genů na výkonnost mozku jsou překvapivě silné. Například v roce 1999 navodil tým vedený Joem Z.Tsienem z Princeton University v myším mozku zvýšenou aktivitu genu kódující protein NR2B a dosáhl tak u zvířat pronikavého posílení paměti. Myši kmene označovaného jako Doogie vykazovaly v nejrůznějších testech mnohem lepší výsledky než běžné myši, například se mnohem rychleji učily novým dovednostem.

Opomíjené „lepivé“ buňky

O tom, že pátrání po tajích vzniku lidského intelektu nebude jednoduché, se přesvědčil tým z univerzity v americkém Rochesteru pod vedením Maiken Nedergaardové a Stevena Goldmana. Také oni vytvořili myši, které v laboratorních testech prokázaly zvýšenou schopnost učit se nové věci. Úlohy kladoucí vysoké nároky na prostorovou paměť zvládaly pětkrát rychleji než běžné myši. Dramaticky zlepšené funkce mozku zajistily hlodavcům lidské gliové buňky označované jako astrocyty. Tyto buňky byly dlouho považovány jen za jakési „lešení“ pro neurony a jejich označení glie je odvozené z řeckého výrazu pro lepidlo. Měly to být buňky, které v mozku lepí dohromady neurony.

Nedergaardová s Goldmanem vpravili do mozku novorozených myších mláďat lidské buňky předurčené k proměně v glie. Zpočátku nebylo vůbec jasné, jak myší mozek na porci lidských buněk zareaguje. Vědci se obávali, že transplantované buňky napáchají více škody než užitku. Hrozilo, že se lidské glie neintegrují do struktur myšího mozku a budou narušovat funkce nervových obvodů.

Žádná z těchto obav se nenaplnila. Naopak. Lidské buňky se propojily s okolními myšími gliovými buňkami. Přitom však nepozbyly nic ze svých jedinečných vlastností. Například vnitrobuněčný signál přenášený vápníkovými ionty v nich putoval třikrát rychleji než v sousedních myších buňkách. Dramatické zlepšení však bylo patrné i u myších neuronů, které se rovněž propojily s lidskými astrocyty. Jasně se to ukázalo například na tzv. dlouhodobé potenciaci. Tento fenomén je základem paměti a vybavování informací z paměti. Pokud mezi vzájemně propojenými nervovými buňkami proběhne signál, pak napodruhé už prochází signál po té samé dráze o poznání snáze – asi jako kdyby mu první signál „prošlápl cestičku“.

Glie se na přenosu tohoto signálu podílejí jen zprostředkovaně. Jak ale ukázal experiment Nedergaardové a Goldmana, podíl glií rozhodně není zanedbatelný a lidské glie fungují v tomto ohledu zřejmě zcela výjimečně. V myším mozku doplněném o lidské glie probíhala dlouhodobá potenciace neuronů s efektivitou, jaké se obyčejný myší mozek nikdy ani nepřiblíží.

V poslední době je k dispozici stále více důkazů, jež svědčí o nezanedbatelném podílu glií na přenosu signálu na synapsích – spojích, kde si předávají neurony nervové vzruchy. Především lidské glie označované pro svůj hvězdicovitý tvar jako astrocyty mají pro tuto úlohu mimořádně nadání. Oproti zvířecím astrocytům vykazují lidské astrocyty celou řadu jedinečných rysů. Jsou například nápadně větší. Lidský astrocyt má v porovnání s myším astrocytem zhruba dvěstěkrát větší objem. Tento typ lidských glií je také obdařen tisíci výběžků, které jsou napojeny na synapse neuronů a vytvářejí kolem nich hustou síť. Myší astrocyty jsou na výběžky mnohem chudší.

Významný podíl glií na jedinečných funkcích lidského mozku naznačuje i skutečnost, že evolučně rostl mozek našich předků přednostně právě díky gliím. Ve srovnání s šimpanzem máme my lidé asi třikrát objemnější mozek. Neurony se ale na tomto nárůstů podílejí jen ze čtvrtiny. Většina hmoty mozku, kterou máme oproti lidoopům navíc, je tvořena gliemi.

Růst mozku

V poslední době přišli vědci na stopu hned několika úseků DNA, které by mohly sehrát při evolučním zvětšení lidského mozku a nárůstu jeho výkonnosti důležitou roli. Významně k tomu přispěl tým vedený Debrou Silverovou z Duke University Medical School. Silverová a spol. pátrali v lidském genomu po úsecích, které slouží ke kontrole aktivity genů. Tyto tzv. enhancery mohou aktivovat geny v různých tkáních a orgánech. Některé z těchto genetických „posilovačů“ se vyskytují v lidské dědičné informaci, ale v myší dědičné informaci chybí. Silverová pátrala se svými spolupracovníky po lidských enhancerech, které uvádějí do činnosti geny v mozku. Odhalili jich celkem šest a označili je HARE1 až HARE6. Největší naděje vkládali do enhanceru HARE5, protože ten je zapojen do regulace genu Frizzled8, jehož poškození dramaticky ovlivňuje vývoj mozku.

Kdo z vás tyhle geny má?

Kdo z vás tyhle geny má?

Myši „posilovač“ HARE5 postrádají. Naši nejbližší živočišní příbuzní šimpanzi jej však mají. Z celkového počtu 1 200 písmen genetického kódu se lidský a šimpanzí enhancer HARE5 liší jen šestnácti písmeny. Má tento rozdíl nějaký zásadní význam? Na tuto otázku odpověděly pokusy, při kterých vědci dali myší gen Frizzled8 pod kontrolu lidského nebo šimpanzího enhanceru HARE5. Myši, které měly gen Frizzled8 řízený lidským „posilovačem“ HARE5, měly o 12 % větší mozky než myši, jejichž gen Frizzled8 ovládal šimpanzí enhancer. A co bylo neméně důležité, lidský „posilovač“ popoháněl růst myšího mozku do vyšších obrátek v kritickém období, kdy se rozhoduje o množení buněk, z nichž se budou vytvářet neurony.

„Odhalili jsme část genetického základu pro velký lidský mozek,“ komentuje výsledky publikované nedávno ve vědeckém časopise Current Biology jeden z členů úspěšného týmu Gregory Wray. „Je to ale pouhá část – velmi malá část,“ dodává Wray.

Myši s mozkovými závity

Další dílek do skládačky genů, které se podílely na evolučním zvětšení lidského mozku, přidal vzápětí tým pod vedením Wielanda Huttnera z Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik v Drážďanech. Vědci analyzovali buňky z mozků myších embryí a lidských potracených zárodků. Zajímalo je, které geny pracují v mozku v zásadním období, kdy se vytváří mozková kůra, protože tato část mozku je rozhodující pro aktivity, v nichž člověk vyniká nad zvířaty. V mozkové kůře jsou například centra řeči a paměti, interpretujeme tu smyslové vjemy nebo tu formulujeme myšlenky.

Huttener a spol. odhalili 56 genů, které jsou aktivní při formování lidské mozkové kůry, ale v myší dědičné informaci bychom je marně hledali. Jedním z nich je gen označovaný jako ARHGAP11B. Ten vědci z podílu na vývoji lidského mozku podezírají už delší dobu. Gen chybí dokonce i šimpanzům. Ve své dědičné informaci ho však měli kromě našich přímých předků – pravěkých lidí Homo sapiens – i naši vzdálenější příbuzní neandrtálci.

Když vědci vnesli lidský gen ARHGAP11B do dědičné informace myší, došlo u zvířat k dramatické změně během vývoje mozku. Myším plodům se silně zvětšila mozková kůra. V řadě případů bylo zvětšení takové, že došlo ke zprohýbání povrchu mozku. Na mozku se vytvořily závity, jaké jsou známé jen u primátů včetně člověka. U obyčejných myši nic podobného na mozku nenajdeme.

„Vše nasvědčuje tomu, že tento gen sehrál důležitou roli během evoluce mozku nového typu – většího a složitějšího,“ shrnuje výsledky studie publikované ve vědeckém časopise Science neurobiolog Victor Borrell Franco z Instituto de Neurociencias ve španělském Alicante.

Smutnější než myši s nadměrně rozvinutým mozkem jsou případy, kde neproběhne správně vývoj lidského mozku. Nedávno se podařilo objevit extrémní případ takového postižení ve sbírkách jedné texaské nemocnice. Více se můžete dozvědět v našem starším článku, který se otevře po klepnutí na obrázek.

Smutnější než myši s nadměrně rozvinutým mozkem jsou případy, kde neproběhne správně vývoj lidského mozku. Nedávno se podařilo objevit extrémní případ takového postižení ve sbírkách jedné texaské nemocnice. Více se můžete dozvědět v našem starším článku, který se otevře po klepnutí na obrázek.

Hledání mimo mozek

Přírodovědci připouštěli, že s evolucí člověka nemají problém „od krku dolů“. Evoluce lidského mozku – nejsložitější a nejdokonaleji uspořádané hmoty, jakou člověk zatím poznal – však pokusům o detailnější pochopení vzdorovala. Výsledky nejnovějšího výzkumu už ale začínají pomalu zaplňovat i dosud bílá místa na mapě znázorňující evoluci lidského mozku. Zatím jsme do rozsáhlé a komplikované „puzzle“ zasadili jen pár prvních dílků. Zcela jistě k nim brzy přibydou další. Byla by však chyba pátrat po kořenech lidské inteligence pouze v genech, které působí v nervové tkáni. Pro evoluci lidského mozku byly zřejmě důležité i nepřímé vlivy, které tomuto procesu zajistily příhodné podmínky.

Tým pod vedením George Perryho z Pennsylvania State University nedávno publikoval v Journal of Human Evolution studii, v které zjistil, že lidé Homo sapiens nesou ve své dědičné informaci v průměru šest kopií genu, podle kterého se nám ve slinách tvoří enzym amyláza pro trávení škrobu. Někteří lidé mají až dvacet kopií tohoto genu a vyrábějí si amylázu ve velkém množství. To jim dovoluje získat z rostlinné potravy více energie, kterou mohli naši předci věnovat na „provoz“ mozku.

Neandrtálci měli jen jednu či dvě kopie tohoto genu. I když zřejmě jedli více rostlinné stravy, než se donedávna myslelo, nemohli z ní vyždímat tolik energie jako naši přímí předkové. Neandrtálci měli mozky velikostí srovnatelné s mozky pravěkých lidí Homo sapiens a často je objemem mozkovny dokonce mírně předčili. Byli také schopni poměrně komplikované duševní činnosti. Některé jednoduché ukázky výtvarného umění, jež známe z evropských jeskyní, mohli vytvořit právě neandrtálci. Homo sapiens však měl nad neandrtálci duševně v mnoha ohledech zjevně navrch. Mohla k tomu přispět i energie získaná díky „baterii“ genů pro amylázu.

Jaroslav Petr

Je vzděláním biolog. Pracuje jako vedoucí výzkumný pracovník ve Výzkumném ústavu živočišné výroby v Praze-Uhříněvsi, kde se zabývá reprodukční biologií a biotechnologiemi hospodářských zvířat. Přednáší externě na České zemědělské univerzitě v Praze a dalších institucích. Je také dlouholetým popularizátorem vědy. Píše například pro Lidové noviny, časopis Vesmír i server Osel.cz.

Cestu na výsluní evoluce nám ale nemusely zajistit jen zisky genů, ale také genetické ztráty. Ve srovnání s šimpanzi nám například chybí gen MYH16, podle kterého se vytváří jedna z bílkovin důležitých pro stavbu svalů. Naši předci o tento gen přišli poté, co se evolučně osamostatnili od předků šimpanzů. Zaplatili za to menší silou žvýkacích svalů, což mohl být významný handicap. Na druhé straně ale vědci předpokládají, že slabší žvýkací svaly nesvíraly lebku pravěkých lidí tak pevně a usnadnily evoluční zvětšování mozkovny.

Cesta k odhalení tajů vzniku lidské jedinečnosti bude ještě dlouhá a komplikovaná. První zdárné kroky jsme však na ni už podnikli.

Autor:




Najdete na iDNES.cz



mobilní verze
© 1999–2016 MAFRA, a. s., a dodavatelé Profimedia, Reuters, ČTK, AP. Jakékoliv užití obsahu včetně převzetí, šíření či dalšího zpřístupňování článků a fotografií je bez souhlasu MAFRA, a. s., zakázáno. Provozovatelem serveru iDNES.cz je MAFRA, a. s., se sídlem
Karla Engliše 519/11, 150 00 Praha 5, IČ: 45313351, zapsaná v obchodním rejstříku vedeném Městským soudem v Praze, oddíl B, vložka 1328. Vydavatelství MAFRA, a. s., je součástí koncernu AGROFERT ovládaného Ing. Andrejem Babišem.