'Mutant ferrets' menyinari evolusi otak manusia
Semasa meneroka perkembangan otak manusia menggunakan model ferret mutan, para saintis secara tidak sengaja menemui petunjuk evolusi otak kita yang besar.
Manusia dikurniakan otak yang agak besar. Dan, selama 7 juta tahun terakhir - jangka masa yang singkat dari segi evolusi - ukuran otak kita meningkat tiga kali ganda.
Korteks serebrum, lapisan luar yang berbelit dan dilipat, terutama pada manusia. Tepat mengapa dan bagaimana otak kita menjadi sangat tidak menyenangkan adalah titik perbahasan dan bukti-bukti yang ada sekarang masih sedikit.
Mencari petunjuk mengenai pergeseran genetik dan biologi yang berlaku berjuta-juta tahun yang lalu serupa dengan mencari jarum di tumpukan jerami di seberang alam semesta. Bagaimanapun, Lady Serendipity selalu tersenyum kepada para saintis.
Baru-baru ini, para penyelidik dari sebilangan institusi, termasuk Institut Perubatan Howard Hughes di Chevy Chase, MD, Universiti Yale di New Haven, CT, dan Hospital Kanak-kanak Boston di Massachusetts, melakukan serangkaian kajian yang melihat mikrocephaly.
Kajian mereka membuahkan hasil dan meningkatkan pemahaman kita tentang mikrosefali, tetapi mereka juga mendekatkan kita dengan jarum itu di tumpukan jerami yang jauh. Penemuan mereka baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal Alam semula jadi.
"Saya dilatih sebagai pakar neurologi dan belajar kanak-kanak dengan penyakit otak yang berkembang," jelas Dr Christopher Walsh, dari Boston Children's Hospital. "Saya tidak pernah menyangka saya akan melihat sejarah evolusi manusia."
Cara penyelidikan mikrosefali
Bayi dengan mikrosefali mempunyai kepala yang jauh lebih kecil daripada biasa, dan korteks serebrum mereka tidak terbentuk dengan betul. Keadaan ini sering bersifat genetik, walaupun baru-baru ini, ia juga dikaitkan dengan virus Zika.
Bagaimana dan mengapa korteks tidak terbentuk dengan betul tidak difahami sepenuhnya. Salah satu sebab mengapa meneroka topik ini sangat sukar adalah kekurangan model yang baik; model tetikus paling sering digunakan, tetapi tidak sesuai untuk tujuan.
Otak tikus, seperti yang anda jangkakan, kecil. Juga, tikus tidak menikmati pemilihan sel otak yang sama seperti manusia, dan korteksnya jauh lebih halus.
Gen yang paling sering terlibat dalam mikrosefali adalah gen yang mengkod protein yang dikenali sebagai Aspm. Apabila gen ini bermutasi, otak manusia akan berada di sekitar separuh dari ukuran normal.
Namun, pada tikus tanpa gen - yang disebut tikus kalah mati Aspm - otak mereka menyusut hanya dengan sepersepuluh. Perubahan yang hampir tidak dapat dikesan ini sedikit berguna bagi para saintis.
Dalam usaha mencari model mikrosefali yang lebih baik, para penyelidik - yang dipimpin oleh Dr. Walsh dan Byoung-Il Bae, dari Universiti Yale - beralih kepada musang.
Ini mungkin, pada mulanya, merupakan pilihan haiwan yang ganjil, tetapi masuk akal; musang lebih besar dan mempunyai korteks kompleks dengan julat jenis sel yang sama dengan manusia. Juga, seperti tikus, mereka membiak dengan cepat dan bebas.
Seperti yang dijelaskan oleh Dr. Walsh, "Di sebalik itu, musang mungkin merupakan pilihan yang lucu, tetapi mereka telah menjadi model penting untuk perkembangan otak selama 30 tahun."
Walaupun musang telah terbukti berguna sebelumnya, tidak banyak yang diketahui mengenai genetik musang, jadi membuat versi kalah mati Aspm dari haiwan akan menjadi sesuatu yang mencabar. Walsh, bagaimanapun, tidak dapat dipertimbangkan; dia mendapat dana dan mula bekerja.
Ferret kalah mati Aspm adalah musang kalah mati kedua yang pernah diciptakan manusia.
Seperti yang dijangkakan, otak musang kalah mati Aspm hingga 40 persen lebih kecil dari biasanya, membawanya lebih dekat selaras dengan versi mikrosefali manusia. Dan, seperti mikrosefali manusia, ketebalan kortikal tidak berubah.
Petunjuk untuk evolusi otak
Selain merancang model baru dan berguna untuk mikrosefali manusia, para saintis juga mencelupkan jari kaki mereka ke dalam masalah yang jauh lebih sukar: bagaimana kita mengembangkan otak besar seperti itu?
Mereka menyiasat bagaimana kehilangan Apsm mempengaruhi otak musang dengan cara yang berlaku. Kecacatan tersebut ditelusuri kembali ke perubahan cara tingkah laku sel glial radial.
Sel glial radial berkembang dari sel neuroepithelial, yang merupakan sel stem sistem saraf. Ini mampu berkembang menjadi sejumlah jenis sel yang berbeza di korteks.
Bermula di dekat ventrikel otak yang sedang berkembang, sel glial radial bergerak ke arah korteks pembentuk. Ketika sel-sel ini bergerak lebih jauh dari titik permulaannya, mereka perlahan-lahan kehilangan kemampuan mereka untuk berkembang menjadi pelbagai jenis sel otak.
Pasukan ini mendapati bahawa kekurangan Apsm menyebabkan sel radial radial melepaskan diri dari ventrikel dengan lebih mudah dan memulakan migrasi mereka lebih awal.
Setelah waktunya dimatikan, nisbah sel glial radial dengan jenis sel lain berubah-ubah, mengakibatkan lebih sedikit sel saraf di korteks. Apsm bertindak sebagai pengatur, mendail ke atas atau ke bawah jumlah keseluruhan neuron kortikal. Dan, inilah petunjuk evolusi otak manusia.
"Alam harus menyelesaikan masalah mengubah ukuran otak manusia tanpa harus merekayasa ulang semuanya."
Byoung-Il Bae
Apsm mengubah perkembangan otak dengan cara ini dengan mempengaruhi fungsi sentriol, atau struktur sel yang terlibat dalam pembahagian sel. Tanpa Apsm, pihak sentral tidak menjalankan tugas mereka dengan betul.
Baru-baru ini, beberapa gen yang terlibat dalam mengatur protein centriole, termasuk Apsm, telah mengalami perubahan evolusi. Dr. Walsh percaya bahawa mungkin gen-gen inilah yang membezakan kita dari simpanse, atau sepupu kita yang jauh dari Neanderthal.
"Ini masuk akal dalam retrospeksi," kata Dr. Walsh. "Gen-gen yang menyatukan otak kita selama pengembangan pasti merupakan gen yang evolusi berubah untuk menjadikan otak kita lebih besar."
Dengan mengubah satu gen ini, penghijrahan sel radial glial dapat diubah dan korteks dapat tumbuh lebih besar. Kajian-kajian ini memberikan model baru untuk mikrosefali dan pandangan baru mengenai asal-usul otak kita yang membonjol.
