Что губки могут рассказать об эволюции мозга
Несмотря на центральную важность, происхождение мозга до сих пор не раскрыто. Первые мозги животных появились сотни миллионов лет назад. Сегодня только самые примитивные виды животных, такие как водные губки, лишены мозга. Парадоксально, но именно эти виды могут хранить ключ к разгадке тайны того, как впервые эволюционировали нейроны и мозг.
Отдельные нейроны в мозге общаются через синапсы. Эти связи между клетками лежат в основе функции мозга и регулируются множеством различных генов. У губок нет этих синапсов, но их геном всё ещё кодирует многие синаптические гены. Учёные EMBL задались вопросом, почему это может быть так. Их последние результаты опубликованы в журнале Science.
«Мы знаем, что эти синаптические гены участвуют в нейронной функции у высших животных. Обнаружение их у примитивных видов, таких как губки, ставит вопрос: если у этих животных нет мозга, какова роль этих генов?» — сказал Детлев Арендт, руководитель группы EMBL и старший научный сотрудник EMBL в Гейдельберге.
Чтобы изучить роль этих синаптических генов у губок, лаборатория Арендта внедрила микрофлюидные и геномные технологии в работе с пресноводной губкой Spongilla lacustris. Используя эти методы, учёные захватывали отдельные клетки из нескольких губок внутри микрофлюидных капель, а затем анализировали генетическую активность каждой клетки.
«Мы показали, что определённые клетки в пищеварительных камерах губки активируют синаптические гены. Таким образом, даже у примитивного животного, лишённого синапсов, синаптические гены активны в специфических частях его тела», — сказал Джейкоб Мюссер, научный сотрудник группы Арендта и ведущий автор исследования.
Губки используют свои пищеварительные камеры для фильтрации пищи из воды и взаимодействия с микробами окружающей среды. Чтобы понять, что делают клетки, экспрессирующие синаптические гены, группа Арендта объединила усилия с шестью командами EMBL, а также с коллегами в Европе и по всему миру. Совместно с Центром электронной микроскопии EMBL, командой Янника Шваба и группой Томаса Шнайдера, работающей на синхротронных пучках в EMBL Гамбург, исследователи разработали новый корреляционный метод визуализации. «Комбинируя электронную микроскопию с рентгеновской визуализацией на синхротронной линии, мы смогли визуализировать потрясающее поведение этих клеток», — объяснил доктор Шваб.
Учёные получили трёхмерные снимки клеток, которые перемещаются по всей пищеварительной камере, чтобы очистить её от бактериальных захватчиков, и выпускают длинные отростки, которые обволакивают питательный аппарат специфических пищеварительных клеток. Это поведение создаёт интерфейс для целенаправленной межклеточной коммуникации, подобно тому, как это происходит через синапсы между нейронными клетками в нашем мозге.
«Наши результаты указывают на то, что клетки, регулирующие питание и контролирующие микробную среду, являются возможными эволюционными предшественниками первых мозгов животных», — сказал доктор Мюссер.