人と動物の違い - hibiki-love’s blog

What makes us human? A biased view from the perspective of

comparative embryology and mouse genetics

André M Goffinet*

Abstract

神経生物学者にとって、人間性の中核は人間の大脳皮質、特に前頭前野であり、「私たちを人間にするものは何か」という質問です。明らかに過度に単純化された、人間の大脳皮質の発達と進化の研究に変換されます。このコメントでは、この過度の単純化を指摘した後、私たちが大脳皮質に焦点を絞りすぎると、大脳皮質を理解することが不可能であることを示したいと思います。他の器官と同様に、私たちの皮質は茎の羊膜類の皮質から進化しました、そしてそれはまだその祖先の痕跡を持っています。歴史的な文脈で脳を理解したいのであれば、脳の発達に関するより多くの比較研究が明らかに必要です。同様に、比較ゲノミクスは進化を理解するのに役立つ優れたツールですが、繰り返しになりますが、研究は哺乳類や人間とチンパンジーの比較に限定されるべきではなく、多くの脊椎動物のフィラの調査により多くのリソースが投資されるべきです。最後に、皮質発達の研究に最も広く使用されているげっ歯類モデルは明らかに興味深いものですが、人間のタイプが進化した「幹皮質」のモデルとは見なされません。他の種、特に霊長類モデルで、そして倫理的に正当な場合はいつでも、人間で皮質の発達を直接研究することが依然として最も重要です。

読者：「まあ、彼は誰だと思いますか、その質問に答えると主張する人ですか？」確かに、非常に複雑な問題であるため、質問する価値があるかどうかを正当に疑問に思うかもしれません。今年（2006年）の時点でインターネットをチェックすると、評判の高いスミソニアン協会から、クラックポットのように聞こえるサイトまで、さまざまなWebサイトが返されます。ほとんどの宗教は、人間は神によって創造されたものであり、私たちの人間の状態は永遠に謎のままであると私たちに告げます。異なる視点から始めて、情報理論、そして常識は、何かを理解するには、調査中のオブジェクト自体よりも多くの分析力が必要であり、したがって、同様の結論につながることを教えてくれます。しかし、科学者として、私は私たちの「人間性」を科学的な質問として考えることにほとんど容赦なく惹かれます。グローバルな答えはありませんが、それは少なくとも私たちができるアイデアや仮説を立てることができる質問です。観察（例えば、化石記録）または実験によってチェックされます。この短い解説は、この努力を共有する人々を対象としています。 2つの前文から始めましょう。まず、「私たちを人間にするのは私たちの脳である」という標準的な応答でさえ、明らかな制限があります。類人猿の体に人間の脳がある生き物を想像してみてください。彼女/彼は人間を感じるでしょうか？彼女/彼を人間と見なしますか？おそらくそうではありません：人間であることは確かに依存し、多くのパラメータを統合するステータスです-もちろん、私たちの脳と体だけでなく、私たちが住んでいる社会的環境までの個人およびグループとしての私たちの歴史[ 1]。間違いなく、そのような発言はすべての生物種の定義に当てはまりますが、それらは私たちにとって特に印象的です。私たちがお互いや他の生き物との関係において独自の洗練されたポイントに到達したと言っても擬人化されていません。。この発言は、社会生物学を脇に置いて（結局のところ、それは私の分野ではありません）、脳の発達と進化の観点に集中します。それについては、私は少し無知だと感じています。私が簡単に議論したいもう一つの予備的なポイントは、「私たちの脳を人間にするのは、私たちの大脳皮質、そして特に前頭前野である」という仮定です。私は基本的にこの主張に最初の概算として同意しますが、大脳皮質のパフォーマンスの進化と発達は単独では起こらなかったことに注意する必要があります。むしろ、このプロセスは神経系と体全体の発達に依存していました。最も有名な例を挙げれば、言語が私たちの種の特徴であることは明らかです。言語は、喉頭の特定の特徴、および大脳皮質に関連していないが私たちの種に固有である喉頭筋および他の構造の神経学的協調の進化的獲得を必要とします。ハンドスキルの習得についても同じことが言えますが、他にもいくつか例があります。生物は実体として進化します。明らかな操作上の理由から、私たちは主に部品の進化を研究しています。しかし、データの解釈に関しては、全体を考慮せずに部分を議論することはほとんど意味がないことを常に心に留めておく必要があります。上記の2つのニュアンスが作られているので、私たちのほとんどは、私たちと他の動物との主な違いの1つが私たちの認知能力にあることに同意すると思います。すべての犬の飼い主は、動物が感情やそれに近い何かを持っていることを知っています。彼らは悲しむことも喜ぶこともあります、彼らは彼らの気性を持っています。彼らは、時には少なくとも、彼らが教えられたことを覚えています。チンパンジーは、基本的な記号を読んで学ぶために、多くの忍耐と注意を払って訓練することができます。配偶者を失うと象が落ち込んでいるように見えることを示す数え切れないほどの逸話や観察があり、死の場所に戻るなど、喪の兆候を示す可能性があります。明らかに、記憶、知性、感情、意識、あるいは道徳的な善悪の感覚でさえ、人間に完全に固有のものではありません[2]。最近の報告では、マウスは「共感」を示すとさえ主張しています[3]。しかし、私たちの種でのみ、認知能力が独自のレベルの洗練度に達しました。私たちが知る限り、類人猿と比較した場合でも、私たちは言語を発明した唯一の生き物であり、彼自身の書かれた規則は、善悪の道徳的規範で社会生活を営んでおり、いくつかの（私たちの脳の進化の間にいくつかの？）量子飛躍がありますが、これらの飛躍が起こったときの私たちの進化の段階については多くの不確実性があります。

私たちが動物全般、特に類人猿と、大脳皮質が重要な役割を果たす認知能力によって異なる場合、私は「何が私たちを人間にするのか」という質問を再定式化し、「何が私たちを人間にするのか」と尋ねます。私たちの脳と大脳皮質についてとても特別なのですか？」男は大きな脳を持っています。一部の動物はより大きな動物を持っていますが、ほとんどの場合、体のサイズに対してアロメトリック補正を行うと、人間の脳の重量が最大になります。最大の脳を持つ動物には、一般的に知性があると私たちが考える鯨類や象が含まれます。興味深いことに、チンパンジーとゴリラは、体重に対する脳の大きさの平均を記録しています[4]。頭蓋エンドキャストの研究は、ネアンデルタール人が私たちよりも頭蓋容量が大きく、おそらく脳が大きいことを非常に明確に示しています。脳の大きさは明らかに重要ですが、すべてではありません。クジラ類は、イルカのような小さなものでさえ、大きくて葉状の皮質表面を持つ巨大な脳を持っています。彼らの側頭葉は私たちのものよりも大きく、これは彼らの素晴らしい空間記憶に関連している可能性があります。それでも、彼らの認知能力は、無視できるほどではありませんが、私たちのものと比較することはできません。クジラ類の新皮質は、比較的少数の顆粒介在ニューロンや比較的単純なニューロン分化（樹状突起の木）など、その祖先の特徴の多くの特徴を保持しています。系統発生的分離は、主に神経細胞数の増加（大きな皮質拡張に関連する）、実質的な建築的進化を伴わない量的拡張による神経系の発達をもたらした可能性があります[5]。ニューロンの数は体系的ではないかもしれません-皮質のサイズや表面によって直線的に変化します。クジラ目とは対照的に、人間のニューロンは、最も精巧な建築組織、カハールの「ダブルブーケ」細胞[6]などのいくつかのニューロンタイプの高い割合、およびその絶妙な接続性によって特徴付けられます。繰り返しますが、そのようなパラメータは必ずしも神経の数と相関しているわけではなく、エンドキャストの測定には明らかにアクセスできません。発達を制御する遺伝子は進化過程の優先的な標的であり、異なる種の皮質発達を調節するメカニズムの同定と研究が私たちの皮質を理解するための中心であると私は主張します。たとえば、過去10年ほどの発達研究では、哺乳類の皮質の2つの主要なニューロン集団、つまり興奮性グルタミン酸作動性錐体細胞とGABA作動性介在ニューロンが脳室帯の異なるセクターで生成され、それに沿って皮質に移動することが明確に示されています。異なるルート。図1に図式化されているように、皮質ニューロンの本体は放射状に移動するグルタミン酸作動性細胞を形成しますが、神経節隆起、主に内側部分（MGE）で生成されたGABA作動性細胞は接線方向に皮質に移動します[7-9]。。この発達パターンはげっ歯類で十分に確立されていますが、ニワトリ[10]でも説明されているため、すべての羊膜類の一般的な特徴である可能性があります。一方、人間の脳では、MGEに加えて、GABA作動性介在ニューロンも皮質VZで生成され、皮質に放射状に移動します[11]。明らかに、これはすでに広く研究されていますが、さまざまな種の皮質介在ニューロンの起源についてさらに研究を行う必要があります。確かなデータが文献で利用可能であり、上記の比較質問のほとんどに答えるのに役立つと思う人がいるかもしれません。まったくそうではありません。比較脳の解剖学に関する私たちの知識は、比較脳の発達は言うまでもなく、基本的なままです[9]。この分野は、助成機関、そしてほとんどの科学者によって数十年にわたって無視されており、数人の献身的な同僚によってのみ追求されてきました。しかし、人間の起源と人間性の問題が関連していると認めるならば、最先端の技術を使用した脳の解剖学と発達の体系的な比較研究が緊急に必要であり、適切にサポートされるべきであると私は主張します。数年前にヒューマンブレインプロジェクトが提案されましたが、進化の文脈で最もよく理解されるであろう人間、さらには哺乳類の皮質にさえも焦点を絞るべきではないと私は信じています。「進化の観点を除いて、生物学における何も意味がありません」（Dobzansky、[12]）。私たちを人間にするのは私たちの脳であり、私たちの脳は私たちの遺伝子構成の制御下で発達します。したがって、「私たちの「人間性」は私たちの遺伝子にある」ということわざです。これは、DNA配列を比較することによって、人間特有の特徴を拾い上げて、すべてを説明することができるかもしれないと私たちに信じさせます。現在、ヒトとチンパンジーのゲノムの比較については多くの宣伝があります。このように定義された微妙な遺伝的差異は、人間の種の重要な遺伝的決定要因を指し示すと広く考えられています。これらの研究は魅力的で必要であり、間違いなくかなりの洞察をもたらすでしょうが、この推論はやや単純化されていると思います。遺伝的差異と結果として生じる表現型の影響との間に明らかな相関関係があることはめったにありません。ほとんど無関係と見なされる変更が最も重要である可能性があり、その逆も同様です。遺伝子プログラム（主にDNA配列）は表現型ではありません。後者は開発中に遺伝子プログラムを実行した結果であり、エピジェネティックな歴史の産物です。開発中、エピジェネティックな風景は非常に非線形で超並列に展開し、関係を事後的に理解することを困難にし、通常、基本原理からの結果を予測することは不可能です。私たちの脳は自然淘汰によって進化しました。つまり、最も高い生殖率を持ち、変化に最も適した表現型（したがってゲノム）の生存です。環境。脊椎動物の脳の進化の歴史は、脳組織が化石化しないため、また、上記で概説したように、比較発達神経生物学の研究がまだ始まったばかりであるため、よく理解されていません。皮質は初期の脊椎動物には存在しなかった可能性があります：それは無羊類の脳室周囲層に減少します-耳の脊椎動物。皮質のサイズが大きくなり、生きている爬虫類、鳥、哺乳類の祖先である幹羊膜類の組織化[9]。それは、哺乳類につながる系統である単弓類で目立つようになり、霊長類で爆発的に進化しました。類人猿との共通の祖先からの進化は、この進行中のプロセスにおける最新の主要な放射線にすぎず、この最新のステップと最近の脳の進化はゼロから進化したわけではありません。「進化論はちょっとしたものです」[13]そして以前の構造の上にのみ構築することができます。脳の進化を理解したいのであれば、化石の記録のようなDNA配列に歴史的な観点から取り組み、焦点を絞らないようにする必要があります。できるだけ多くの木の枝に属する生きている動物の基本的な遺伝子メカニズムに取り組むことなく、人間の脳の遺伝的制御を理解できるかどうかは非常に疑わしいです。化石物質から十分なDNAを救出することさえ可能かもしれませんが、その品質が十分であるとは思えません。私がエレガントなアプローチだと思う例は、ヒトおよび他のいくつかの脊椎動物のゲノムに存在する超保存エレメントに関するHausslerグループの研究[14]であり、「ヒト加速領域」、HAR1、および発生中のヒト新皮質のCajal-Retziusニューロンで特異的に発現する新規RNA遺伝子（HAR1F）の研究[15]、およびヒト系統特異的遺伝子増幅に関する最近の研究[16]。しかし、これは励みになる始まりに過ぎず、やるべきことがたくさん残っています。ヒトとマウスのゲノムの配列決定、明らかな生物医学的優先順位の後、配列決定センターはナメクジウオ、魚、カエル、カメ、ヘビまたはトカゲ、スフェノドン、ニワトリ、ワニなどを追求すると思いました。。しかし、これは起こったことではありません！むしろ、いくつかの馬、牛、犬、猫、その他のペットのゲノム配列決定が進行中であるか、ほぼ完了しています。多くの場合、経済的考察と非科学的議論が優先されます。しかし、これは変更することができ、シーケンスの価格と速度により、より広い視野が可能になります。人間の起源と人間性の問題が適切であると私たちが信じるならば、できるだけ多くの木の枝を調査するための協調した配列決定の努力が資金提供され、積極的に着手されるべきです。グローバルな系統発生スケールで配列を比較することにより、霊長類の系統の進化と人間の皮質の発達に特有で不可欠な、独特で微妙な遺伝的変化のいくつかを特定できるかもしれません。霊長類の系統における最近の進化の間の脳のサイズと複雑さの急速な増加はよく知られており、他の場所で広く議論されています。多くの人にとって、このような短時間での脳の大きさの変化は、自然淘汰では説明が難しいように思われます。私はこの見解が間違って基づいていると信じていますある種の潜在意識では、進化は多かれ少なかれ直線的に機能します。つまり、表現型の小さな変化はDNAの小さな変化を反映しますが、表現型の大きな変化はDNAの大きな変更を必要とします。しかし、高い非線形性が実際には例外ではなく規則であるのに、なぜそうなのか。開発と同様に、進化は最も非線形な方法で機能します。この非線形性が無秩序であるかどうかは、テープを巻き戻すことができず、いくつかの非常に小さく限られたケースを除いて、実験的に進化を生み出す方法がないため、永遠に不明のままです。しかし、要点は、進化は非常に非線形であり、最近のいくつかの実験的観察は、この心の枠組みの中で解釈できると思います。いくつか例を挙げましょう。葉状構造によって皮質表面が増加するプロセスは、一般に、人間の皮質に向かって進化する際に不可欠であると考えられています。上で示唆したように、これは進化によって皮質のパフォーマンスを向上させるために使用される唯一のメカニズムではありませんでしたが、その重要性を疑う人はほとんどいません。私たちの調査ではそのように見えるため、プロセスは複雑であると見なされることがよくあります。それでも、優れたウェブサイト「Comparative Mammalian BrainCollections」[17]を参照することで理解できるように、皮質の折り畳みは密接に関連する系統内で大きく異なる可能性があります。たとえば、カモノハシ目では、ハリモグラは精巧で葉の多い皮質を持っていますが、カモノハシはほとんど無脳です[18]。同様の例は、霊長類を含む他の門にも見られ、そのいくつかはほとんど無脳症です。さらに、脳肥大とさまざまなレベルの旋回皮質の混合は、生殖細胞系列の不活性化など、エレガントでありながら比較的単純な操作[19]によってマウスで人工的に達成されます。カスパーゼ3または9の変化[20,21]、トランスジェニックマウスにおけるベータカテニンの発現増加[22,23]、リゾホスファチジン酸の存在下でのinvitroでの胚皮質のインキュベーション[24,25]、またはエフリン/ Ephシグナル伝達[26]。興味深いことに、ホスファターゼPTEN [27]が不活性化され、α-カテニン[28]が脳特異的に不活性化されたマウスでは、脳肥大が見られますが、皮質葉の増加はまったくないか、ほとんどありません。常に相関しているわけではありません。モルミュルス科の魚の小脳は、そのサイズが大きく、葉が豊富で[4]、皮質の表面の大幅な増加がおそらく非常に簡単に進化または生成される可能性があることを示すさらに別の例を示しています。

これらの観察結果は、旋回表面の生成は広範な遺伝的変化を必要とせず、どの門でも進化した可能性があることを示唆しています。しかし、それはあまり頻繁に進化しませんでした、そして私はこれの少なくとも2つの理由を見て、それは実験的にまたは比較研究によってテストすることができます。まず、大きな葉状皮質を取得することは比較的簡単かもしれませんが、この大きな皮質を効率的に機能させることはより難しいかもしれません。皮質が増加したトランスジェニックマウスはしばしば生存不能であり、これは詳細に研究されていないが、結果として生じる大きな皮質はおそらくうまく機能しない。これは、脳の進化が単独ではなく、生物全体の文脈で起こるという上記のポイントを示しています。皮質サイズの増加は、脳を支え血管化する中胚葉成分のバランスの取れた成長を伴う必要があります。また、皮質表面の増加と多くの隣接する放射状皮質柱の組織化は、神経興奮性と発作に対する感受性を増加させる可能性があります。結果-放射状皮質柱の高度に幾何学的な配置の結果は、電場効果（「エファプティック」相互作用）による膜電位の変更を容易にすることであり、電気皮質リズムの振動および発作[29]。この準結晶配列には、おそらく計算能力の点で利点がありますが、エファプティック励起が活動の接線方向の広がりを促進し、異常なてんかん発作のしきい値を下げるため、代償も伴います。最初の理由と矛盾しない2番目の理由は、より重要かもしれません。すなわち、大きな脳、特に大きな葉状皮質の獲得は、それ自体が進化の利点ではないかもしれません。進化の意味で大成功を収めているほとんどの種は、大きな脳や高い認知力を持っていません。大きな脳のサイズと計算能力の増加は、おそらくごく最近、初期のホモで進化論的に有用であることが証明され、このパラメーターが私たちの系統学のある時点で積極的に選択された理由は不明のままです。おそらく、いくつかの特徴のように、増加した皮質表面は霊長類の系統のある時点で「試された」だけであり、トラックが取られた後は、元に戻すのにはるかに多くの費用がかかるため、オプションを維持する以外に選択肢はほとんどありませんでした続けるより。少なくとも現時点では、人間は明らかに非常に成功した種であり、惑星を燃やしたり爆発させたりしてすべてを終わらせない限り、このオプションは最終的に報われました。一般的な考えに反して、幹哺乳類はおそらくげっ歯類のような前脳を持っていませんでした。げっ歯類は高度に進化した動物であり、茎の哺乳類とは直接関係がなく、霊長類につながる系統は実際にはより直接的に派生しています[30]。これは証明されていませんが、幹哺乳類は比較的特殊化されていない基本的な皮質を持っていた可能性があります。そこから高度に特殊化された小脳皮質がげっ歯類などの系統で進化したのに対し、他の系統は葉を維持し、一部の枝、特に私たちの枝でそれを増加させました。進化は比較的未分化の形態でより容易に機能し[31]、霊長類のネオテニーがそれらの急速な進化の要因であったことは一般に認められています。この見方が正しければ、マウスの皮質は幹哺乳類の「原始的な」皮質のモデルではないので、皮質の進化に関するマウスのデータからの推論は適切な注意を払って行う必要があります。

マウスは、そのすべての利点とともに、皮質の発達と進化の唯一のモデルと見なされるべきではないという別の例証は、出生前後に大規模に変性する皮質辺縁帯の初期ニューロンであるカハール介在細胞の役割に関係しています[32]。リーラーや他の変異マウスでの研究と人間の遺伝学的研究は、Cajal-Retzius細胞によって分泌されたリーリンがマウスの正常な皮質発達と人間の皮質の葉形成に絶対に必要であることを明確に示しています[33]。しかし、マウスでは、ほとんどのCajal-Retzius細胞の遺伝的切除は皮質の発達をあまり乱さず、大きな冗長性を示しています[34]。これについてはまだ研究が進んでいませんが、げっ歯類にはカハール・レツィウス細胞とリーリンが非常に過剰に存在しているようです。これは、リーリンの供給が提供されているように見える人間には当てはまらないようです。辺縁帯での長期間[35]。上で論じたように、人間の脳のユニークな認知力は、高いニューロン数、大きな葉状皮質、最適な構造組織、複雑なニューロンタイプ、高度に組織化された精巧な接続などの複数の要因の進化的獲得によるものと思われます。人間の脳の進化は驚くべき速さで進んでいます。私たちは、技術革新によって認知能力がさらに向上し、文化的進化が生物学的進化を大幅に上回っている段階に達しました。しかし、脳の進化が現在の人間レベルで止まるべき理由は見当たらず、その将来の問題から逃れることは不可能です。サイエンスフィクションに立ち入ることなく、ほとんど注目されていない大脳皮質の1つの特徴、つまり一般的に無視されていること、そして非常に興味をそそるのは、脊髄下顆粒層（SGL）です。 SGLは、明らかに基底領域から生成され、シルビの裂肛と古脳室の門に近い細胞の一過性の偶発的であり、妊娠中期および後期に、正接的に下垂体皮質辺縁帯に移動します。 SGLは、他の哺乳動物よりもヒトではるかに発達しており、他の哺乳動物で減少性のSGLが報告されているにもかかわらず、ヒト特異的と見なされることもあります。 1世紀以上前にRankeによって最初に記述された、SGLはBrun [36]によってある程度詳細に調べられ、その細胞はグリアに分化するか、おそらく皮質リボンに放射状に入ると死ぬと結論付けました。より最近の研究では、SGL細胞は神経学的であり、放射状に皮質に入る可能性が高いが[37]、それらの運命については決定的ではないことが示された。小脳の外部および内部の顆粒層の発達との類推により、合理的な仮説は、脊髄下ニューロンが皮質ニューロン集団に寄与するが、これは少数のニューロンを表すために検出されなかったというものである可能性があります。 SGLは、神経節隆起に由来する主要な偶発事象に加えて、インターニューロンのソースを提供する可能性があります。小脳の場合と同様に、SGL細胞の増加は、大脳皮質表面の表面と折り畳みの増加をもたらす可能性があり、計算能力が向上した大脳皮質をもたらす可能性があります。 SGLは人間で最もよく研究されていますが、皮質の発達と進化の間に役割を果たす可能性があるという考えは純粋な推測ではありません。哺乳類モデルにはいくつかの小さなSGLが存在し、SGLの細胞構成と皮質に入った後の細胞の運命をより適切に定義し、遺伝子発現のレパートリー、分化に関与する転写因子を特定するための手法が利用できます。。

Conclusion

人間の大脳皮質は人間の本質の中核です。私たちの皮質は、茎の羊膜類の皮質から進化したものであり、この進化の文脈から除外された場合は理解できません。大脳皮質をよりよく理解したいのであれば、最先端の技術を使用して、胚発生の比較研究にさらに努力を払う必要があります。ゲノム配列決定の取り組みは、哺乳類に焦点を当てるのではなく、脊椎動物の木のすべての枝に向けられるべきです。最後に、げっ歯類の皮質は哺乳類の幹皮質の完全なモデルではなく、霊長類とヒトの皮質の特定の研究が必要です。その基本的な関心に加えて、人間性に関する科学的知識の向上は、私たちの場所、ひいては私たちの環境や私たち自身に対する私たちの権利と義務をよりよく定義するのに役立ちます。これは結局のところ、究極の生態学的挑戦です！私たちは、マウスと非哺乳類種の分析に限定すべきではなく、最先端の技術を使用して霊長類、特にヒトの脳の発達を積極的に研究する必要があると確信しています。もちろん、倫理的配慮が最も重要であり、考慮に入れる必要があります。しかし、霊長類と人間の脳の発達の研究は、現代の技術の全兵器を使用して、斬新で独創的な道をたどり、科学的に、大脳皮質の進化と生物学的性質の問題に取り組むためのユニークな方法です。

Conclusion