Изучена эволюция складок коры мозжечка у млекопитающих

Кора головного мозга и кора мозжечка являются двумя крупнейшими складчатыми структурами мозга млекопитающих. У человека мозжечок содержит около 80% всех нейронов мозга, хотя составляет лишь около 10% его массы. Многие аспекты организации, развития и эволюции коры головного мозга и коры мозжечка сильно различаются. Кора головного мозга уникальна для млекопитающих, тогда как мозжечок присутствует у всех позвоночных, а структуры, подобные мозжечку, можно обнаружить даже у беспозвоночных, таких как осьминоги. Складки коры присутствуют только у относительно крупных млекопитающих, а складки мозжечка – у всех млекопитающих, также у птиц и некоторых рыб, но не у рептилий. Сравнение складок в обеих структурах является первым шагом к пониманию того, как характер их образования может повлиять на особенности организации двух разных типов тканей. Однако изучение складок мозжечка затруднено небольшим размером его листков — маленьких листовидных структур сильно сложенной поверхности.

Команда ученых из Франции, Германии и Великобритании охарактеризовала разнообразие и эволюцию складок в мозжечке млекопитающих и их связи с анатомией головного мозга. Они составили коллекцию гистологических данных от 56 видов млекопитающих и разработали методы оценки геометрии листков мозжечка и толщины молекулярного слоя. Результаты работы опубликованы в журнале eLife.

Большая часть гистологических данных для исследования была взята с веб-сайта Музея мозга — сравнительной коллекции мозга млекопитающих. Данные о человеческом мозге получены из проекта BigBrain, а данные о мозге макак-резусов являются частью проекта BrainMaps. Для визуализации и анализа ученые использовали ранее разработанный ими и доступный онлайн веб-инструмент MicroDraw. Они разработали метод автоматического обнаружения границы между молекулярным и зернистым слоями, что позволило им оценить среднюю толщину молекулярного слоя. Для определения складчатости отдельных листков они использовали такие параметры, как средняя ширина и периметр. Авторы также построили филогенетическое дерево для 56 видов с помощью веб-ресурса TimeTree. Все полученные данные и код находятся в открытом доступе.

В результате ученые выделили две группы фенотипов (наблюдаемых характеристик). Первая представляла собой группу «разнообразных» характеристик, которые широко варьировали у разных видов (масса мозга, площадь сечения и длина мозжечкового и мозгового отделов). Все они различались на несколько порядков в зависимости от размера тела. Вторая группа «стабильных» характеристик была гораздо менее изменчива и включала ширину листа и толщину молекулярного слоя. Эти характеристики изменялись незначительно с изменением размера мозга.

Размер мозжечка сильно коррелировал с размером мозга. Мозжечок большего размера был более складчатым, чем мозжечок меньшего размера, аналогично коре головного мозга. В маленьком мозжечке наблюдается только один уровень складок, в то время как следующий уровень закладывается постепенно по мере увеличения его размеров. Добавление новых уровней складок может быть причиной относительно меньшей ширины листьев у более крупных мозжечков, поскольку новые, меньшие складки развиваются поверх существующих. У человека можно выделить как минимум три таких уровня складчатости.

Ширина и периметр листа, а также толщина молекулярного слоя мозжечка слегка увеличивались с его размером. Ширина складок была связана с толщиной молекулярного слоя. Эти закономерности были высококонсервативными у всех изученных видов, что указывает на наличие общего механизма, лежащего в основе образования складок головного мозга и мозжечка у млекопитающих. Прослеживая эволюцию, ученые обнаружили четкую закономерность, демонстрирующую согласованное изменение размера мозга и размера тела. Приматы, в том числе люди, были исключением из этой тенденции, так как размер их мозга был больше и не связан с размером тела.

Ученые выдвинули предположение, что к образованию складок мозжечка приводит расширение молекулярного слоя, а сам рост обусловлен не пролиферацией гранулярных клеток, а увеличением разветвления дендритов клеток Пуркинье. По словам редактора журнала eLife, проведенное исследование представляет большой интерес для биологов, особенно эволюционистов и нейробиологов, а также физиков, интересующихся биомеханикой, поскольку эти наблюдения обеспечивают основу для моделирования механизмов формирования складок у мозга.

Мозг человека изучили на уровне единичных клеток