Сходные генетические элементы лежат в основе вокального обучения у млекопитающих
Вокализация людей, летучих мышей, китов, тюленей и певчих птиц сильно различается. Например, люди и птицы разделены примерно 300 миллионами лет эволюции. Однако ученые, изучающие, как эти животные учатся «говорить», неоднократно наблюдали удивительное сходство в связях между областями мозга, которые поддерживают это вокальное обучение.
В статье, опубликованной в журнале Science, междисциплинарная команда под руководством ученых из Университета Карнеги-Меллон и Калифорнийского университета в Беркли обнаружила участки генома — как внутри генов, так и за их пределами, — которые эволюционировали и связаны со способностью к вокальному обучению у млекопитающих.
Используя метод машинного обучения под названием tissue-aware conservation inference toolkit (TACIT) на суперкомпьютерной системе Bridges-2 в Питтсбургском суперкомпьютерном центре, лаборатория Андреаса Пфеннинга выявила 50 регуляторных элементов генов в мозге людей, летучих мышей, китов и тюленей, которые имеют более сильную связь со способностью к вокализации. Эти регуляторные элементы — это последовательности ДНК вне самих генов, которые определяют, какие гены активны в каких тканях.
Ученые пришли к пониманию, что регуляторные элементы играют большую роль в эволюции поведения. Но изучать их было гораздо сложнее, чем сами гены.
«Потребовались новые методы искусственного интеллекта, чтобы помочь найти эволюционные сигналы в регуляторных элементах среди сотен геномов», — сказал Пфеннинг, один из авторов-корреспондентов нового исследования.
Соответствующая область мозга была найдена в ходе экспериментов в лаборатории Майкла Ярцева из Калифорнийского университета в Беркли, другого автора-корреспондента. Они обнаружили свидетельства того, что конкретная часть мозга египетской летучей мыши имеет сходные нейронные связи с частью человеческого мозга, контролирующей производство речи.
«Очень немногие млекопитающие на самом деле способны учиться издаваемым ими звукам, что сильно затрудняет изучение этого ключевого аспекта человечности», — отметил Ярцев. — «Нам удалось выявить параллели между летучими мышами и людьми в структурных элементах мозга, генетическом содержании и даже нейронных цепях, контролирующих вокальное обучение».
Как гены, связанные с вокальным обучением, так и обнаруженные в этом исследовании регуляторные элементы генов также часто располагаются в частях генома, связанных с расстройством аутистического спектра. Это открытие предполагает, что изучение эволюционной истории человеческого генома может дать ключи к пониманию его влияния на здоровье человека.
«Типы клеток, которые формируют дальние связи в мозге человека и летучей мыши, — это те же самые клетки, которые мы обнаружили как наиболее релевантные для вокального обучения на основе генетического анализа», — сказал Пфеннинг. — «Анатомия и генетика указывают на один и тот же механизм, лежащий в основе эволюции вокального обучения у млекопитающих и производства речи у людей».