De vraag wat de moderne mens uniek maakt, is lange tijd een drijvende kracht geweest voor onderzoekers. Vergelijkingen met onze naaste verwanten, de Neanderthalers, leveren daarom fascinerende inzichten op. De toename van de hersengrootte en de productie van neuronen tijdens de ontwikkeling van de hersenen worden beschouwd als belangrijke factoren voor de toegenomen cognitieve vermogens die tijdens de menselijke evolutie zijn opgetreden. Hoewel zowel Neanderthalers als moderne mensen hersenen van vergelijkbare grootte ontwikkelen, is er heel weinig bekend over de vraag of de moderne menselijke en Neanderthaler-hersenen tijdens de ontwikkeling mogelijk van elkaar verschilden wat betreft hun neuronproductie.

Onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Moleculaire Celbiologie en Genetica (MPI-CBG) in Dresden tonen nu aan dat de moderne menselijke variant van het eiwit TKTL1, dat slechts een enkel aminozuur verschilt van de Neandertal-variant, één type hersenvoorloper verhoogt cellen, basale radiale glia genaamd, in het moderne menselijke brein. Basale radiale gliacellen genereren de meerderheid van de neuronen in de zich ontwikkelende neocortex, een deel van de hersenen dat cruciaal is voor veel cognitieve vaardigheden. Omdat TKTL1-activiteit bijzonder hoog is in de frontale kwab van het foetale menselijke brein, concluderen de onderzoekers dat deze enkele mensspecifieke aminozuursubstitutie in TKTL1 ten grondslag ligt aan een grotere neuronproductie in de zich ontwikkelende frontale kwab van de neocortex bij moderne mensen dan Neanderthalers.

Slechts een klein aantal eiwitten heeft verschillen in de volgorde van hun aminozuren - de bouwstenen van eiwitten - tussen de moderne mens en onze uitgestorven verwanten, de Neanderthalers en Denisovans. De biologische betekenis van deze verschillen voor de ontwikkeling van het moderne menselijke brein is grotendeels onbekend. In feite hebben zowel moderne mensen als Neanderthalers hersenen, en met name een neocortex, van vergelijkbare grootte, maar of deze vergelijkbare neocortex-grootte een vergelijkbaar aantal neuronen impliceert, blijft onduidelijk.

Het laatste onderzoek van de onderzoeksgroep van Wieland Huttner, een van de oprichters van het Max Planck Instituut voor Moleculaire Celbiologie en Genetica (MPI-CBG) in Dresden, uitgevoerd in samenwerking met Svante Pääbo, directeur van het Max Planck Instituut voor Evolutionaire antropologie in Leipzig, en Pauline Wimberger van het Universitair Ziekenhuis Dresden en hun collega's, gaan in op deze vraag.

De onderzoekers richten zich op een van deze eiwitten die een enkele aminozuurverandering vertoont in vrijwel alle moderne mensen in vergelijking met Neanderthalers, het eiwit transketolase-achtige 1 (TKTL1). Specifiek, bij moderne mensen bevat TKTL1 een arginine op de sequentiepositie in kwestie, terwijl het in Neandertal TKTL1 het verwante aminozuur lysine is. In de foetale menselijke neocortex wordt TKTL1 gevonden in neocorticale voorlopercellen, de cellen waaruit alle corticale neuronen voortkomen. Het niveau van TKTL1 is met name het hoogst in de voorlopercellen van de frontale kwab.

Modern menselijk TKTL1, maar niet Neandertal TKTL1, leidt tot meer neuronen in neocortex van embryonale muis

Anneline Pinson, de hoofdauteur van de studie gepubliceerd in Science en onderzoeker in de groep van Wieland Huttner, gingen op zoek naar de betekenis van deze ene aminozuurverandering voor de ontwikkeling van de neocortex. Anneline en haar collega's introduceerden de moderne mens of de Neandertal-variant van TKTL1 in de neocortex van muizenembryo's.

Ze merkten op dat basale radiale gliacellen, het type neocorticale voorlopers waarvan wordt aangenomen dat ze de drijvende kracht zijn voor grotere hersenen, toenamen met de moderne menselijke variant van TKTL1, maar niet met de Neandertal-variant. Als gevolg daarvan bevatten de hersenen van muizenembryo's met het moderne menselijke TKTL1 meer neuronen.

Meer neuronen in de frontale kwab van de moderne mens

Hierna onderzochten de onderzoekers de relevantie van deze effecten voor de ontwikkeling van het menselijk brein. Daartoe vervingen ze de arginine in het moderne menselijke TKTL1 door het lysine dat kenmerkend is voor Neandertal TKTL1, met behulp van menselijke hersenorganoïden - miniatuur orgaanachtige structuren die kunnen worden gekweekt uit menselijke stamcellen in celkweekschalen in het laboratorium en die aspecten van vroege ontwikkeling van het menselijk brein.

"We ontdekten dat met het Neandertal-type aminozuur in TKTL1 minder basale radiale gliacellen werden geproduceerd dan met het moderne menselijke type en als gevolg daarvan ook minder neuronen", zegt Anneline Pinson. "Dit laat ons zien dat hoewel we niet weten hoeveel neuronen het Neandertal-brein had, we kunnen aannemen dat moderne mensen meer neuronen hebben in de frontale kwab van de hersenen, waar de TKTL1-activiteit het hoogst is, dan Neanderthalers."

De onderzoekers ontdekten ook dat moderne menselijke TKTL1 werkt door veranderingen in het metabolisme, met name een stimulatie van de pentosefosfaatroute gevolgd door verhoogde vetzuursynthese. Op deze manier wordt aangenomen dat moderne menselijke TKTL1 de synthese van bepaalde membraanlipiden verhoogt die nodig zijn om het lange proces van basale radiale gliacellen te genereren dat hun proliferatie stimuleert en daardoor de productie van neuronen verhoogt.

"Deze studie impliceert dat de productie van neuronen in de neocortex tijdens de ontwikkeling van de foetus groter is bij moderne mensen dan bij Neanderthalers, met name in de frontale kwab", vat Wieland Huttner samen, die de studie leidde. "Het is verleidelijk om te speculeren dat dit de moderne menselijke cognitieve vermogens in verband met de frontale kwab bevorderde." + Verder verkennen

Je tijd nemen maakt een verschil:de hersenontwikkeling verschilt tussen Neanderthalers en moderne mensen