Как появился мозг: от прообраза нервных клеток до нейронов

От простого…

Одни из первых теорий происхождения нервной системы появились в конце XIX века. Немецкий биолог Николаус Клейненберг описал «нейромышечные» клетки миоциты и предположил, что они с нейронами имеют общее происхождение. Примерно в это же время соотечественники Клейненберга, зоологи Оскар и Рихард Гертвиг, выдвинули теорию о том, что каждый компонент нейрона — тело и отростки — возникли как отдельные типы эпителиальных клеток. О геноме тогда еще не говорили, а секвенирование не изобрели.

Сегодня эта технология позволяет лучше понять эволюцию нейронов на примере примитивных крошечных созданий плакозой, или пластинчатых, которые появились на Земле около 800 миллионов лет назад. Эти животные размером с песчинку питаются водорослями и микробами с поверхности камней. Их ближайшие родственники — гребневики, губки, кораллы, морские анемоны и медузы.

Пластинчатые ориентируются в пространстве благодаря особой группе клеток, которые синтезируют нейропептиды Изображение: © Nature

В теле плакозои каждый тип клеток выполняет особую роль, которая определяется специфическим набором генов. Чтобы узнать, как они эволюционировали, исследователи из Barcelona Institute of Science and Technology провели транскриптомный анализ. Изучив более 65 тысяч клеток, ученые выяснили, что делает каждая из них в отдельности и как они работают вместе. Удалось найти нечто похожее на нейроны — у пластинчатых их роль выполняют секреторные клетки, в которых синтезируются вещества, подобные нейропептидам. Исследователи доказали, что такие клетки могли дать начало нейронам у более сложных организмов, в том числе у человека. Результаты научной работы опубликованы в журнале Cell.

Хотя нейроны появились лишь много миллионов лет спустя у более продвинутых животных, вроде книдарий и билатерий, секреторные клетки пластинчатых на них очень похожи. В них есть многие участки генома, необходимые для построения той части нейрона, которая может передавать сигнал. И все-таки это разные вещи. Секреторные клетки — не нейроны, ведь они не могут проводить электрический сигнал.

… к сложному

Более сложное устройство нервной системы, если говорить о его самых древних обладателях, появляется у медуз. У них нет головного мозга или центральной нервной системы, но сети нейронов уже более-менее равномерно распределены по организму. 

Нервные сети состоят из сенсорных нейронов, которые улавливают химические, тактильные и визуальные сигналы; мотонейронов, которые активируют сокращения стенок тела; промежуточных нейронов, играющих роль посредника между первыми и вторыми. Промежуточные как раз стали способны объединяться и образовывать ганглии.

Обучение без мозга

Ученые из Kiel University доказали способность к ассоциативному обучению у медуз. Исследователи наблюдали, как примитивные с точки зрения нервной системы существа уже через несколько минут после столкновения с препятствием запомнили его и начали избегать. Именно появление новой стратегии поведения на основе опыта лежит в основе процесса обучения. Исследователи доказали, что для этого не обязательно обладать головным мозгом.

Медузы доказывают, что для обучения достаточно примитивной нервной системы Изображение: © CC BY 4.0

Именно ганглии потом сформировались у червей в примитивный мозг. Дальнейшая эволюция привела к увеличению головного ганглия и появлению мозга у более развитых животных. Постепенное увеличение его объема было связано с появлением более сложных форм поведения. Но на этом, очевидно, эволюция не останавливается. Каким будет наш мозг в будущем, ученым еще предстоит ответить, а описанные выше исследования в этом помогут.