Гипоталамус предшествовал появлению позвоночных

Гипоталамус, участвующий в координации нейроэндокринных функций у позвоночных, имеет эволюционное происхождение, которое можно проследить с помощью интегрированных транскриптомных и коннектомных карт мозга плавающих личинок-аппендикулярий Ciona intestinalis (морской бочонок). Эти организмы служат моделью их предкового протопозвоночного.

Карта выявила несколько типов клеток, соответствующих разным областям гипоталамуса позвоночных, включая мамиллярное ядро, дугообразное ядро и магноцеллюлярные нейроны. Эти наблюдения показали, что гипоталамус существовал ещё до эволюции мозга позвоночных.

Карта мозга Ciona

Учёные провели профилирование транскриптома единичных клеток в ходе эмбриогенеза Ciona intestinalis от гаструляции до плавающей личинки. Они идентифицировали 40 t-SNE кластеров клеток ЦНС и периферической нервной системы и нанесли на карту 15 различных нейральных типов клеток простого мозга личинки (сенсорного пузырька). Среди них — ранее известные клетки короны (coronet cells), нейроны эминенции и пигментные клетки.

С помощью нейрон-специфичных репортёрных генов команда идентифицировала ряд релейных нейронов (RNs), включая экспрессирующие вазопрессин и тахикинин (FoxP⁺), а также экспрессирующие рецептор вазопрессина (VPR⁺). FoxP⁺ нейроны были холинергическими, а VPR⁺ — GABA-ергическими. Также была обнаружена малоизученная популяция предполагаемых механосенсорных нейронов, названных «нейронами-переключателями» (switch neurons).

Нейронная цепь протогипоталамуса

Клетки короны, выделяющие дофамин и экспрессирующие нейропептиды (например, Gnrh), ранее уже связывали с гипоталамусом позвоночных. Работа показала, что они функционируют как светочувствительные сенсорные клетки и взаимодействуют с соседними нейронами-переключателями и FoxP⁺ релейными нейронами. На основе анатомического положения нейроны-переключатели соответствовали ресничным интернейронам мозга. VPR⁺ релейные нейроны также получали сигналы от нейронов-переключателей.

Исследователи предполагают, что основной функцией протогипоталамуса Ciona является запуск метаморфоза личинки.

Ортология с гипоталамусом мыши

Чтобы проверить гомологию выявленной цепи с гипоталамусом позвоночных, учёные сравнили полные транскриптомы 40 нейральных типов клеток нервной системы Ciona с транскриптомными картами гипоталамуса мыши. Анализ выявил два клеточных клона Ciona, соответствующих двум разным кластерам клеток гипоталамуса мыши. Сравнительный транскриптомный анализ показал, что нейронная цепь, ассоциированная с клетками короны, содержит несколько типов клеток, соответствующих разным областям гипоталамуса мыши.

Выводы

Простая морфология мозга Ciona содержит сложный протогипоталамус, играющий роль в начале метаморфоза. Эта работа демонстрирует наличие множества гипоталамических типов клеток у Ciona, что указывает на неожиданно сложный эволюционный план для развития сложного мозга позвоночных.