Очевидное-невероятное. От неандертальца к homo sapiens: загадки эволюции мозга

Здравствуйте! Публикую стенограмму беседы Сергея Петровича Капицы "Очевидное-невероятное. От неандертальца к homo sapiens: загадки эволюции мозга" 4 февраля 2012 года. Участники передачи: Сергей Петрович Капица (доктор физико-математических наук; кратко - СПК), Константин Владимирович Анохин (доктор медицинских наук,  нейробиолог, профессор, член-корреспондент РАН и РАМН).

Передача посвящена тем генам, с которыми связывают способность человека к речи: FOXP2, FOXB1 и другим. Тема обсуждается в свете последних открытий палеоантропологии, в том числе таких, как открытие нового вида человека - человека из Денисовой пещеры, а также с учетом секвенирования генома современного человека, неандертальца и денисовца. Делаются выводы о том, когда "гены речи" появились у предков современного человека. К. В. Анохин сообщает, что некоторые существующие народы несут в себе гены неандертальцев и денисовцев. Гость передачи сообщает о том, что при некоторых врожденных нарушениях речи обнаруживаются мутации именно в обсуждаемых генах, которые кодируют транскрипционые факторы, проводящие сигнал в клетках мозга и регулирующие их активность. К. В. Анохин поведал о том, что в лабораториях сумели создать генетически-модифицированных мышей с человеческим вариантом гена FOXP2, и эти мыши имеют повышенные способности к обучению. Как оказывается, всего лишь 2 аминокислоты отличают наш ген от гена шимпанзе, причем для речевых функций важна только 1 аминокислотная замена. В заключении К. В. Анохин рассказывает, что пение птиц управляется генами, которые родственны генам человека, необходимым для развития речи.

Если вас интересует тема коммуникаций у животных, развития мозга у них, посмотрите передачи "Очевидное-невероятное. Думают ли животные" и "Очевидное-Невероятное. Почему люди говорят", лекцию "Человек и обезьяна: диалог по-человечески", а также фильмы Феликса Соболева: "Думают ли животные?" и "Язык животных". О том, что такое сознание: "Очевидное-невероятное. Мозг и сознание".

Источник видеозаписи: http://www.youtube.com/watch?v=p2B_kOGDDZA

СПК Добрый день! Сегодня мы вновь возвращаемся к проблеме происхождения и эволюции человека. Сегодня мы обратим свое внимание к работе мозга человека. В этой области производятся поразительные открытия, связанные, в первую очередь, с развитием молекулярной генетики, приложением методов молекулярной генетики к познанию уже функции самого человеческого мозга и формирования нашего сознания. И замечательные работы, связанные с изучением наших далеких предков на Алтае. Вот, раскопки в Денисовой пещере, что станет крупнейшим открытием современной антропологии, палеоантропологии. И здесь мы обратимся к Константину Владимировичу Анохину, который сейчас занят в Курчатовском научном центре проблемами нейронауки. Как вы смотрите на эту ситуацию?

КВА Я, может быть, в качестве введения, хотел бы сказать о лекции Сванте Паабо, знаменитого ученого. И, вот, показательно, что Сванте Паабо выступал с пленарной лекцией, будучи молекулярным генетиком, интересующимся и занимающимся антропологией, происхождением человека, выступал на съезде по нейронаукам, по исследованиям мозга. И половина его доклада была посвящена эволюции человеческого мозга в связи с эволюцией генома. Первое, что он рассказал, - что им удалось за последние 2 года сделать сиквенс - неполный, но достаточно результативный, - неандертальцев. Кстати, из останков самого первого из найденных неандертальцев, 1897 года.

СПК А, из того, который был найден еще в Европе?

КВА Да, да. Совершенно верно. Там ДНК оказалась наиболее сохранной. Они вначале сделали сиквенс митохондриальной ДНК, потому что этой ДНК больше копий, она... проще это сделать. Но потом сделали сиквенс на 55% генома неандертальца, что уже достаточно для важных эволюционных выводов. А вторую вещь, которую они сделали, получив образец из Денисовой пещеры фаланги девушки, девочки, которая жила несколько десятков тысяч лет назад, - они сделали сиквенс и этого генома. И он оказался непохожим ни на неандертальцев, ни на современного человека. Резюме, к которому пришли эти исследователи, заключается в следующем, что когда-то давно наши общие предки разделились с предками нандертальцев и денисовцев, видимо, за счет миграции части из этих предков на север из Африки. Часть осталась в Африке, а часть мигрировала через Среднюю Азию в Европу и Азию.

СПК Да. Это было великое, одно из великих переселений народов.

КВА Это было одно из великих переселений народов. Оно оценивается Паабо как начавшееся около миллиона лет назад. Дальше Паабо оценивает, что геном неандертальцев начал отличаться от нас, то есть они начали отходить от линии нашей генеалогии, около 600 тысяч лет назад. Оказалось, что денисовцы - наши предки, жившие на Алтае, и останки которых найдены в этой пещере, - более древнее отделение от этой основной ветви, отличавшей наших предков. Они отделились от нее около 800 тысяч лет назад, по оценкам. Сванте Паабо показал очень интересную карту расселения, потому что он и его коллеги в других местах также сопоставили последовательности денисовцев, генома денисовцев, и неандертальцев с современным населением в Африке, Европе, Азии, Америке и Австралии.

КВА И оказалось, что, во-первых, современные люди несут около 2% генома неандертальцев. Это говорит о том, что когда-то наши предки встретились с неандертальцами и смешивались с ними, что долго вообще не было очевидно, а генетические данные показывают, что, скорее всего, *****. А другая очень интересная вещь - что геном денисовцев с их уникальными заменами, которые могут служить маркером присутствия их в нашем геноме, он присутствует в современных жителях Новой Гвинеи, Юго-Восточной Азии и даже Австралии, то есть вся меланезийская часть. Был второй исход из Африки современного человека около 100 тысяч лет назад, который постепенно вытеснил и неандертальцев, и денисовцев, заменив их на существующий наш вид.

КВА И здесь интереснейшая история начинается с мозга, потому что история звучит теперь несколько иным образом. Около 10 лет назад была опубликована работа английскими авторами, исследующими так называемую семью Кайе, у которых в течение 3 поколений наблюдались сложности с развитием языка и речи. У современных людей, да. И когда они провели генетическое исследование, то оказалось, что у всех из членов этой семьи, у кого нарушались способности к развитию языка.. Они, кстати, называются "специфические нарушения языка", потому что другие способности, в основном, не страдают. ...Была мутация одного и того же гена на 7 хромосоме, который... Было выяснено, что это такое. Это транскрипционный фактор - белок, который регулирует работу других генов. Он работает в мозгу. Он получил название FOXP2. И оказалось, что ген этот кодирует белок, и экспрессируется этот ген - работает - в структурах под корой головного мозга, в больших структурах, которые называются стриатум (полосатое тело), связанных с выработкой моторных программ, обучением моторным навыкам.

КВА Так вот, оказалось, что ген этот давно существует в эволюции. Он очень консервативный. Одной из красивых работ, которую я видел недавно, - это исследование работы этого гена в нервной системе пчел. Но его находят у рептилий: у крокодила была замечательная работа, как работает этот ген в мозге. Его находят у птиц, его находят у других млекопитающих - в том числе, мышей. И, возвращаясь к нашей истории, Паабо и его коллеги в Институте эволюционной антропологии обнаружили и установили, что человеческий ген FOXP2 отличается от гена шимпанзе в геноме шимпанзе всего 2 аминокислотами. Произошли две только аминокислотные замены. И, вот, новая вещь, о которой рассказывал Паабо на этой лекции... Я не видел этого там до последнего времени: они обнаружили, просеквенировав геном неандертальцев и денисовцев, что и денисовцы, и неандертальцы обладали уже человеческой версией этого гена. Мы можем строить только гипотезы, но это говорит о том, что, возможно, это изменение произошло и у первой волны мигрировавших предков, вышедших из Африки и составивших основу для неандертальцев и денисовцев. И, возможно, это послужило развитию некоторых признаков культуры - например, у денисовцев. Не только речи.

Все стремления и усилия природы завершаются человеком; к нему они стремятся, в него впадают, как в океан. Александр Герцен.

КВА Я здесь хочу сказать о том, какая интересная программа будущих исследований может стоять перед учеными - в том числе, и перед нашими учеными. Я сейчас работаю в Курчатовском НБИК-центре, где, помимо синтеза биологии, генетики, информационных наук, когнитивных наук, сейчас создается гуманитарный корпус такой, гуманитарных дисциплин. И, мне кажется, это огромное прибавление, потому что это позволяет обращаться с помощью естественных наук к этим глубоким вопросам.

КВА Один из способов, который может быть инструментом понимания этого, - это так называемые обратные мутации. Поскольку мутация - это случайный процесс, а популяции очень большие, то всегда есть шанс, и он, по статистике, достаточно высок. То есть, проводя скрининг большого количества геномов, мы можем найти, что именно в этих аминокислотных участках гена FOXP2, в которых произошли мутации у нас, по сравнению с шимпанзе, возможны случайные мутации назад. Но мы можем задать вопрос: что происходит с языком, развитием языка, мозгом и когнитивными функциями у людей, несущих эту обратную мутацию, возвращающую их только по этому гену, этой аминокислоте, назад, к нашим предкам?

КВА И для этого нужны уже не геномные исследования, а исследования психологические и исследования современного мозга, что, вот, сейчас и делается в Курчатовском институте, потому что там организован, первое, крупный центр по исследованиям мозга методом магнитно-резонансной томографии, который позволяет это исследовать, создан отдел когнитивных исследований, занимающийся изучением когнитивных процессов человека, и формируются лингвистические лаборатории, нейролингвистические, которые могут применять специфические тесты, а известно, что люди, у которых есть мутации в этом гене, страдают специфическим нарушением, и есть характерные тесты. Например, они.., им сложно очень, в отличие от других генетических заболеваний, ведущих к нарушению языка (именно это заболевание), произносить и повторять бессмысленные слова много раз. Это требует неких навыков, которые именно у них отсутствуют. То есть можно смотреть, что с языком, можно смотреть, что с мозгом, можно смотреть, что с геномом. Мы соединяем все это вместе.

КВА Теперь - следующая сторона. Есть же еще замечательный пример того, как это можно сделать, и это блестяще было показано в лекции Паабо. Можно взять и сделать кого-нибудь из наших лабораторных животных - не шимпанзе, а мышь, например - похожим на человека. Можно внести мутации, заменив мышиные аминокислоты на те, которые были у человека (а в остальном эти гены очень консервативны), и получить так называемую гуманизированную мышь, которая будет иметь, нести, человеческий вариант гена FOXP2. Посмотреть, что с ней происходит. Они это сделали и получили фантастические две вещи. Есть такая так называемая мышиная клиника под Мюнхеном, где сотрудники принимают мышей с направленными генетическими мутациями от разных исследователей-генетиков и в течение 10 недель проводят их через несколько сот тестов, проверяя все-все-все-все, что могло у них измениться. Когда исследователи из Института эволюционной антропологии отдали своих гуманизированных мышек на это исследование, то оказалось, что из там 283 показателей только 2 изменено.

КВА Первое: они - эти мышки, очеловеченные по гену FOXP2, - по-другому реагируют на новизну обстановки: они более опасливы в исследовании новых пространств; они держатся стенок. Непонятно пока, как это интерпретировать; это, безусловно, поведенческая. Но вторая вещь - она повергла в шок даже авторов этих мышей: оказалось, что эти мыши поют по-другому. У мышей... мыши бывают поющими. В каком смысле? Мы не замечаем этого, потому что мыши поют ультразвуком. У них есть ультразвуковая сигнализация, которую они активно используют, в том числе, когда дети, например, воспитываются мамой-мышью, и, если они теряются или пытаются найти гнездо и начинают общаться друг с другом, то они издают призывные, совершенно направленные по смыслу, ультразвуковые сигналы. Так вот, оказалось, что у мышей с человеческим геном FOXP2 изменилась частота и паттерн ультразвуковых вокализаций.

КВА Дальше они исследовали этих мышей в когнитивных задачах, и их интересовало, что с ними происходит, когда они вырастают. И выяснилась третья удивительная вещь, что эти мыши учатся гораздо лучше, чем их дикие собратья, причем учатся в определенном типе задач - в тех задачах, которые требуют перевода соображения о сути задачи в автоматизированный моторный навык. Например, они их учили бегать в лабиринте, где правильный рукав, где есть пища, был обозначен, ну, там, некой звездой или загорающейся лампочкой. И можно было выработать такой автоматизированный навык, поворачивать в правильные рукава для того, чтобы достигать пищу. Оказалось, что в течение 8 дней коротких ежедневных сеансов мыши с человеческим геном FOXP2, работающим в мозге, обучаются этому, а их дикие собратья - лабораторные мыши со своим обычным мышиным геном, этому не обучаются: им требуется еще как минимум 4 дня.

КВА И оказалось, что происходит это за счет изменений в строении нервных клеток у гуманизированного мозга мышей в той же области, которая страдает при мутации этого гена у человека, - в стриатуме, в этом полосатом теле. Оказалось, что, когда мыши пересаживают гуманизированный ген, то нервные клетки у этих мышей начинают испускать более длинные отростки, как бы устанавливая более богатую сеть с бОльшим количеством своих соседей. Более того, оказалось, что за такую новую возможность более лучшего моторного обучения, автоматизации навыков, отвечает всего одна из двух аминокислот. Только 202 аминокислота - достаточно, чтобы создать такую новую когнитивную и интеллектуальную способность у мышей.

КВА Я говорю, как бы, простую историю. На самом деле, она чрезвычайно сложная, и там огромное количество нерешенных вопросов. Что делает белок этого гена, чтобы мозг развивался, и нейроны становились такими? Когда это происходит в развитии мозга человека, и к чему это ведет в изменении анатомии человеческого мозга? Как это проявляется в функциональных сетях? И, вот, для исследования этих сторон мы в НБИК-центре создали отдел нейронаук, где есть молекулярная нейроанатомия, где мы можем смотреть, как те или иные гены или белки работают и в мозге животных, а также в эмбриональном развитии у человека, в существующих банках данных мозга человека после смерти, которые исследуются в международной и есть у нас в стране для понимания того, как устроен мозг, и какие молекулы работают там. И, кроме того, целую батарею когнитивных тестов с этими животными.

Сознание есть отличительный признак совершенного существа. Людвиг Фейербах.

КВА Я рассказывал все про замечательную группу Паабо, и их исследования, и нескольких других зарубежных лабораторий, но не говорил, что делалось у нас. Например, мы делали, вот, например, две интересные вещи, в общем, в связи с этим. Ген FOXP2, найденный при мутации, нарушающей речь у человека, - не первый ген, который вызывает, судя по всему, нарушение когнитивных функций, из этого семейства. Это семейство очень большое: там около 40 генов. И очень интересно, что, в то же время, когда английские исследователи, не зная еще, чем окажется этот ген, искали ген, связанный с нарушением развития языка, моя лаборатория, вместе с нашими коллегами из Института Макса Планка в Гёттингене, наткнулись на другой ген, который я сразу заметил вот по какой причине. Он называется FOXB1. Он принадлежит этому же семейству.

КВА Этот ген в развитии мозга работает не в полосатом теле, а чуть ниже, в среднем мозге, в так называемых мамиллярных телах. Это глубокие отделы мозга. А чем они удивительны и известны, что у людей, страдающих тяжелыми расстройствами памяти, способности запоминать, и которые были описаны Сергеем Сергеевичем Корсаковым и получили название корсаковского синдрома, когда начали смотреть у умерших людей - это часто хронический алкоголизм, например, это связано с корсаковским синдромом, - какие изменения мозга происходили, видели деградацию, дегенерацию мамиллярных тел. Мы получили вместе с нашими немецкими коллегами мышь, где был нокаутирован этот ген, и у них отсутствуют полностью - там дырка - мамиллярные тела. И мы начали исследовать этих животных на предмет того, что происходит с их поведением, когнитивными функциями.

КВА Так вот, оказалось, что и в этом случае страдают способности к научению. Причем очень интересно: эти животные теряют способность так называемой рабочей памяти. Они теряют способность удерживать какую-то цель своего поведения, действия, до момента его завершения. И это вызывает у них массу когнитивных расстройств. То есть мы получили, убив этот ген у животных, удалив его, генетическую модель корсаковского синдрома. И очень примечательно, что в это ж время приблизительно наши английские коллеги нашли такую мутацию, и потом было показано, что это повторяется в других семьях в гене сходного семейства. Оба из них, кстати, - это гены, работающие в мозге. Оба из них - это гены, регулирующие работу других генов, так называемые транскрипционные факторы. И оба работают в момент развития, становления мозга. Да. Что вообще заставляет задуматься о некоторых выводах о том, как шла эволюция мозга, и какие факторы были важны в возникновении тех или иных когнитивных способностей.

СПК Это очень древние структуры, в то же время?

КВА Да, это древние структуры, безусловно. Но они вовлекаются в высшие процессы. По мере того, как нарастает над ними гиппокамп, кора головного мозга. Они вовлекаются в так называемый круг Папеца, который объединяет в себе эти структуры. А второй фрагмент, который я хотел рассказать, касается птиц. Там ведь - очень интересная проблема вот какая, что экспрессия гена FOXP2 происходит в специфических ядрах, связанных с пением. Птицы - это один из немногих таксонов в природе, наряду с дельфинами, китами, которые... Многие используют звуковые коммуникации, но учатся звуковым коммуникациям только некоторые - в том числе, три группы птиц. И оказалось, что свойства обучения человеческой речи и пению птиц удивительно похожи. Так вот, оказалось, что ген FOXP2 у птиц работает в ядрах, которые связаны - там так называемая область X, - которые связаны с моторными навыками усвоения новой песни.

КВА И удивительная, красивая сторона этого. Я не знаю, имеет ли она глубокий философский смысл, но она, безусловно, красивая. Несколько лет назад группа из Duke university (Эрик Джарвис) и Фернандо Ноттебом из Рокфеллерского университета обнаружили такую удивительную вещь, что птицы певчие могут петь двумя режимами. Они могут петь... Самец может петь для самки, а может петь для себя - просто один в клетке, для удовольствия. И оказалось, что экспрессия генов по-разному регулируется в системах мозговых пения в одном случае и в другом. Когда поет для себя, работают некоторые другие, включаются другие гены. Так вот, оказалось, что FOXP2 - регулируется его экспрессия только песни, когда они поют это для себя, а не когда они утилитарно используют это для того, чтобы привлечь самку.

КВА И мы делали очень интересную вещь. Мы задались вопросом: не могло ли быть так, что некоторые области мозга вначале были неспециализированными и выполняли общие функции. И мы взяли певчих птиц и посмотрели, как работают многие из этих ядер по, тоже, экспрессии генов в момент, когда птицы решают совершенно иную задачу: они учатся находить и использовать определенные виды пищи. И оказалось, что некоторые из специализированных структур не вовлекаются в это, а некоторые перекрестно вовлекаются: они и певчие, но у них остались нейроны, которые учатся, и задача - нахождения пищи. И мы написали такую статью, она вышла в этом году. Кстати, мы ее написали вместе с исследовательницей ***** Шарф, которая исследовала FOXP2, и это ее серия исследований в мозге певчих птиц. Мы назвали ее "Пища для песни" ("Food for song"): как работают певческие ядра в пищевом обучении. И нам предстоит задавать такие же вопросы в отношении возникновения зон Брока, Вернике...

СПК То есть то, что управляет человеческой речью?

КВА Да. Как в эволюции сложились эти специализированные в развитии структуры мозга...

Открытия приходят лишь к тем, кто подготовлен к их пониманию. Луи Пастер.

СПК На этом мы кончим сегодняшний рассказ. Рассказ этот безграничный. Это важнейшие проблемы, которые стоят перед современной комплексной наукой междисциплинарных исследований. И я надеюсь, что мы в будущем будем следить за развитием этой области - может быть, важнейшей области современной науки. Так что до новых встреч у наших экранов.