Satu Keluarga, Mengapa Otak Manusia Lebih Cerdas daripada Kera?

Sebuah Penelitian dari MRC Laboratory of Molecular Biology, studi pertama yang mengidentifikasi bagaimana otak manusia tumbuh jauh lebih besar, dengan neuron tiga kali lebih banyak, dibandingkan dengan otak simpanse dan gorila. Studi tersebut mengidentifikasi tombol molekuler utama yang dapat berperan membuat organoid otak kera tumbuh lebih seperti organoid manusia, dan sebaliknya.

Studi yang diterbitkan dalam jurnal Cell, membandingkan ‘organoid otak’ – jaringan 3D yang tumbuh dari sel induk yang menjadi model perkembangan otak awal manusia, gorila, dan simpanse. Studi ini didanai oleh Medical Research Council, European Research Council dan Cancer Research UK.

Mirip dengan otak sebenarnya, organoid otak manusia tumbuh jauh lebih besar daripada organoid dari kera lain.

Dr Madeline Lancaster, dari MRC Laboratory of Molecular Biology, yang memimpin penelitian tersebut, mengatakan: “Ini memberikan beberapa wawasan tentang apa yang berbeda pada perkembangan otak manusia dari kerabat dekatnya yang masih hidup, kera besar lainnya. Perbedaan paling mencolok antara kita dan kera lain adalah betapa luar biasa besarnya otak kita. “

Selama tahap awal perkembangan otak, neuron dibuat oleh sel induk yang disebut nenek moyang saraf. Sel-sel nenek moyang ini awalnya memiliki bentuk silinder yang memudahkan mereka untuk membelah menjadi sel anak yang identik dengan bentuk yang sama. Semakin banyak sel saraf progenitor berkembang biak pada tahap ini, semakin banyak neuron nantinya.

Saat sel-sel matang dan memperlambat perkaliannya, mereka memanjang, membentuk bentuk seperti kerucut es krim yang diregangkan. Sebelumnya, penelitian pada tikus menunjukkan bahwa sel saraf progenitor mereka matang menjadi bentuk kerucut dan memperlambat perkaliannya dalam beberapa jam.

Sekarang, organoid otak memungkinkan para peneliti untuk mengungkap bagaimana perkembangan ini terjadi pada manusia, gorila, dan simpanse. Mereka menemukan bahwa pada gorila dan simpanse transisi ini memakan waktu lama, terjadi selama kurang lebih lima hari.

Nenek moyang manusia bahkan lebih terlambat dalam transisi ini, memakan waktu sekitar tujuh hari. Sel nenek moyang manusia mempertahankan bentuk seperti silinder lebih lama dari kera lain dan selama waktu ini mereka membelah lebih sering, menghasilkan lebih banyak sel.

Perbedaan kecepatan transisi dari nenek moyang saraf ke neuron berarti bahwa sel manusia memiliki lebih banyak waktu untuk berkembang biak. Ini bisa jadi bertanggung jawab atas jumlah neuron yang kira-kira tiga kali lipat lebih banyak di otak manusia dibandingkan dengan otak gorila atau simpanse.

Dr Lancaster berkata: “Kami telah menemukan bahwa perubahan bentuk sel yang tertunda di otak awal sudah cukup untuk mengubah jalannya perkembangan, membantu menentukan jumlah neuron yang dibuat.

“Sungguh luar biasa bahwa perubahan evolusioner yang relatif sederhana dalam bentuk sel dapat memiliki konsekuensi besar dalam evolusi otak. Saya merasa kita benar-benar telah mempelajari sesuatu yang mendasar tentang pertanyaan yang saya minati selama saya ingat – apa yang membuat kita manusia. “

Untuk mengungkap mekanisme genetik yang mendorong perbedaan ini, para peneliti membandingkan ekspresi gen – gen mana yang dinyalakan dan dimatikan di organoid otak manusia versus kera lainnya.

Mereka mengidentifikasi perbedaan dalam gen yang disebut ‘ZEB2’, yang diaktifkan lebih cepat pada organoid otak gorila daripada di organoid manusia.

Untuk menguji efek gen pada sel progenitor gorila, mereka menunda efek ZEB2. Ini memperlambat pematangan sel-sel nenek moyang, membuat organoid otak gorila berkembang lebih mirip dengan manusia lebih lambat dan lebih besar.

Sebaliknya, mengaktifkan gen ZEB2 lebih cepat dalam sel nenek moyang manusia mendorong transisi dini dalam organoid manusia, sehingga mereka berkembang lebih seperti organoid kera.

Para peneliti mencatat bahwa organoid adalah model dan, seperti semua model, tidak sepenuhnya mereplikasi otak yang sebenarnya, terutama fungsi otak yang matang. Tetapi untuk pertanyaan mendasar tentang evolusi kita, jaringan otak di dalam piring ini memberikan pandangan yang belum pernah terjadi sebelumnya ke tahap-tahap kunci perkembangan otak yang tidak mungkin dipelajari sebaliknya.

Dr Lancaster adalah bagian dari tim yang menciptakan organoid otak pertama pada tahun 2013.

Jurnal Referensi:

• Silvia Benito-Kwiecinski, Stefano L. Giandomenico, Paula Freire-Pritchett, Iva Kelava, Stephanie Wunderlich, Magdalena Sutcliffe, Erlend S. Riis, Ulrich Martin, Gregory A. Wray, Kate McDole, Madeline A. Lancaster. 2021. An early cell shape transition drives evolutionary expansion of the human forebrain. Cell, 2021; DOI: 10.1016/j.cell.2021.02.050