私たち人間を人間たらしめる複雑な思考や認知機能。その源である脳の進化について、これまでの常識を覆すかもしれない驚きの発見がありました。鳥と哺乳類は、脳の重要な部分である「外套」が、それぞれ全く異なる道のりを辿って進化したというのです。同じ祖先から枝分かれしたのではなく、別々に賢い脳を手に入れたのでしょうか？この謎めいた進化の物語を、アチュカロ・バスク神経科学センターおよびバスク大学のイケルバスケ研究者が主導し、Science誌に掲載された2つの研究から紐解いていきましょう。
外套は、哺乳類において新皮質が形成される脳領域であり、人間を他の種から最も区別する認知機能や複雑な機能を担う部分です。伝統的に、外套は哺乳類、鳥類、爬虫類の間で比較可能な構造であり、複雑さのレベルが異なるだけだと考えられてきました。この領域には類似したニューロンタイプが存在し、感覚処理や認知処理のための同等の回路があると想定されていました。これまでの研究では、共通の興奮性ニューロン（excitatory neurons）および抑制性ニューロン（inhibitory neurons）の存在や、これらの脊椎動物種における類似した進化経路を示唆する一般的な接続パターンが特定されていました。しかし、今回の新たな研究により、これらのグループ間で外套の一般的な機能は同等であるものの、その発生メカニズムとニューロンの分子的アイデンティティは進化の過程で実質的に分岐していることが明らかになりました。
最初の研究は、アチュカロ・バスク神経科学センターのエネリッツ・ルエダ＝アラニャ氏（Eneritz Rueda-Alaña）とフェルナンド・ガルシア＝モレノ博士（Fernando García-Moreno）が、バスクの研究センターであるCICバイオグネ（CICbioGUNE）およびBCAM（バスク応用数学センター）、マドリードを拠点とするCNIC（スペイン国立心血管研究センター）、ムルシア大学、クレンビル（カナダ、Krembil Brain Institute）、ストックホルム大学の学際的な共同研究チームの支援を得て実施したもので、鳥類と哺乳類は類似した機能を持つ回路を発達させてきましたが、これらの回路が胚発生（embryonic development）の間に形成される方法は根本的に異なることを示しています。
脳発生・進化研究室の責任者であるガルシア＝モレノ博士は、「それらのニューロンは、種ごとに異なる場所と発生時期に誕生します。これは、それらが共通の祖先から派生した比較可能なニューロンではないことを示しています」と説明しています。
空間的トランスクリプトミクスと数学的モデリングを用いて、研究者たちは、鳥類と哺乳類における感覚処理を担うニューロンが、異なる遺伝子セットを用いて形成されることを発見しました。「それらが細胞のアイデンティティを確立するために使用する遺伝的ツールは種によって異なり、それぞれが新しくユニークな細胞タイプを示しています」。これはすべて、これらの構造と回路が相同ではなく、むしろ収斂進化の結果であることを示しており、「それらは異なる進化経路を通じて、これらの必須の神経回路を独立して発達させた」ことを意味します。
2番目の研究は、これらの違いをさらに探求しています。ハイデルベルク大学（Heidelberg University、ドイツ）で行われ、バスティエンヌ・ザレンバ氏（Bastienne Zaremba）、ヘンリック・ケースマン氏（Henrik Kaessmann）、そしてフェルナンド・ガルシア＝モレノ博士が共同で指揮したこの研究は、鳥類の脳の詳細な細胞型アトラスを提供し、それを哺乳類や爬虫類のものと比較しています。「私たちは、これらの脳で各タイプのニューロンが使用する何百もの遺伝子を細胞ごとに記述し、バイオインフォマティクスツールで比較することができました」。
その結果、鳥類は何億年にもわたって他のすべての脊椎動物に存在するほとんどの抑制性ニューロンを保持していることが示されました。しかし、外套で情報を伝達する役割を担う興奮性ニューロンは独自の方法で進化してきました。鳥類の脳では、前障や海馬など、哺乳類で見られるものと遺伝的プロファイルが類似したニューロンタイプはごくわずかしか特定されず、一部のニューロンは非常に古く、種を超えて共有されていることが示唆されました。「しかし、ほとんどの興奮性ニューロンは、各種で新しく異なる方法で進化してきました」とガルシア＝モレノ博士は詳述しています。
サイエンス誌に掲載されたこれらの研究では、空間的トランスクリプトミクス、発生神経生物学、単一細胞解析、数学的モデリングといった先進技術を用いて、鳥類、哺乳類、爬虫類における脳回路の進化を追跡しました。
脳の進化史を書き換える
「私たちの研究は、進化が複雑な脳を構築するための複数の解決策を見つけ出したことを示しています」とガルシア＝モレノ博士は説明します。「鳥類は、哺乳類と同じ道を辿ることなく、独自のメカニズムを通じて洗練された神経回路を発達させてきました。これは、私たちが脳の進化を理解する方法を変えるものです」。
これらの発見は、脳発生の進化的柔軟性を浮き彫りにし、高度な認知機能が大きく異なる遺伝的および細胞的経路を通じて出現し得ることを実証しています。
脳進化研究の重要性
「私たちの脳は私たちを人間たらしめますが、共有された進化の歴史を通じて他の動物種とも私たちを結びつけています」とガルシア＝モレノ博士は説明します。鳥類と哺乳類が神経回路を独立して発達させてきたという発見は、比較神経科学に大きな影響を与えます。特定のニューロンタイプを生み出す異なる遺伝プログラムを理解することは、神経発達研究の新たな道を開く可能性があります。ガルシア＝モレノ博士は、この種の基礎研究を提唱しています。「脳がどのように形成されるのか、その胚発生と進化の歴史の両方において理解することによってのみ、私たちはそれがどのように機能するのかを真に把握することができます」。
References
- Rueda-Alaña E, Senovilla-Ganzo R, Grillo M, Vázquez E, Marco-Salas S, Gallego-Flores T, Ftara A, Escobar L, Benguría A, Quintas A, Dopazo A, Rábano M, dM Vivanco M, Aransay AM, Garrigos D, Toval A, Ferrán JL, Nilsson M, Encinas JM, De Pitta M, and García-Moreno F (2025). Evolutionary Convergence of Sensory Circuits in the Pallium of Amniotes. Science (February 14, 2025). doi: 10.1126/science.adp3411
(www.science.org/doi/10.1126/science.adp3411) - Zaremba B, Fallahshahroudi A, Schneider C, Schmidt J, Sarropoulos I, Leushkin E, Berki B, Van Poucke E, Jensen P, Senovilla-Ganzo R, Hervas-Sotomayor F, Trost N, Lamanna F, Sepp M, García-Moreno F, Kaessmann H (2025). Developmental Origins and Evolution of Pallial Cell Types and Structures in Birds. Science (February 14, 2025). doi: 10.1126/science.adp5182
(www.science.org/doi/full/10.1126/science.adp5182)
