Мозаичная эволюция мозга у гуппи помогает объяснить когнитивную эволюцию позвоночных

Исследователи из Стокгольмского университета впервые получили экспериментальные доказательства того, что области мозга могут эволюционировать независимо друг от друга в ходе когнитивной эволюции. Эта так называемая мозаичная эволюция мозга была эмпирически подтверждена в эксперименте по искусственному отбору с гуппи (Poecilia reticulata), где размер конечного мозга (телэнцефалона) отличался на 10% уже после всего четырёх поколений отбора. Результаты могут иметь широкие последствия для понимания когнитивной эволюции других позвоночных, включая приматов и человека.

Исследование показывает, что эволюция мозга может происходить в форме изменений в специфических областях мозга по мозаичному принципу, где разные части эволюционируют независимо друг от друга. Учёные продемонстрировали, что при сильном искусственном отборе относительный размер конечного мозга (телэнцефалона, или большого мозга) меняется быстро и независимо.

«Это открытие имеет большое значение для нашего понимания того, как эволюционирует мозг позвоночных, и может помочь объяснить даже эволюцию человеческого мозга. Например, возможно, что когнитивные требования среды привели к постепенным эволюционным изменениям в размере неокортекса в сторону большого неокортекса у людей», — говорит Никлас Колм, профессор кафедры зоологии Стокгольмского университета и главный исследователь проекта.

Эксперимент по искусственному отбору с гуппи провела Стефани Фонг, недавно защитившая по этому проекту докторскую диссертацию. После четырёх поколений отбора на относительный объём конечного мозга по отношению к остальному мозгу (трёхлетнее усилие, потребовавшее почти 2000 аквариумов и сотен вскрытий мозга) она обнаружила существенные изменения в размере конечного мозга как у самцов, так и у самок. Но значительных изменений в других областях не произошло, что подтверждает гипотезу мозаичной эволюции мозга.

Согласно гипотезе мозаичной эволюции мозга, существуют силы отбора (например, когнитивные требования среды для добычи пищи или поиска партнёров), которые влияют на определённые области мозга, но эти адаптивные реакции не затрагивают другие части мозга. Следовательно, разные области мозга могут эволюционировать по «мозаичному» принципу, разными путями и с разной скоростью, экономя энергию по сравнению с изменением всего мозга.

«Исследование уникально, поскольку демонстрирует, что целенаправленный отбор на одну область может быстро увеличить или уменьшить её размер без сильных сопутствующих изменений в других регионах», — говорит Стефани Фонг.

Общий план строения мозга позвоночных удивительно консервативен в отношении различных его областей. Однако вариация размеров этих областей среди видов огромна. И эта вариация размеров могла быть вызвана именно таким типом мозаичной эволюции мозга и иметь серьёзные общие когнитивные последствия.

«Исследование предполагает, что сильный отбор может независимо изменять отдельные области мозга и, таким образом, потенциально давать экономичные с точки зрения затрат нейронные ответы на очень специфические когнитивные требования среды. Следующий важный шаг — и у нас уже есть публикации в работе — исследовать функциональные последствия этих быстрых эволюционных изменений в относительном размере конечного мозга», — говорит Никлас Колм.

Результаты опубликованы в журнале Science Advances.