Genetyka języka

Daniel Geschwind sięga do swojej półki z książkami w biurze, rozkłada trójwymiarową układankę ludzkiego mózgu i zaczyna próbować połączyć plastikowe kawałki. Geschwind, neurogenetyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles, ma nadzieję, że zagadka pomoże mu opisać części mózgu kontrolujące mowę i język. Ale przez całe życie nie może zrozumieć, jak przyczepiają się lewa i prawa półkula. Jestem naprawdę zły przestrzennie, więc nie śmiej się ze mnie, błaga. To tak, jakbym miał mały udar czy coś. Zbiorę się, a potem to rozwiążę.

Język lokalizowania : Obwody neuronalne odpowiedzialne za mowę i język są zwykle zlokalizowane w lewej półkuli mózgu, wzdłuż regionu zwanego szczeliną Sylviana, która rozciąga się od obszaru Broki do obszaru Wernickego. Naukowcy poszukują genów, które łączą te regiony i wytwarzają wyjątkowo ludzką zdolność mowy. Obszar Broca, zaznaczony powyżej na zielono, jest powiązany z mową i językiem. Zaznaczony na czerwono obszar Wernickego kojarzy się ze zrozumieniem języka.

Plastikowy model mógł chwilowo zbić z tropu Geschwinda, ale jeśli chodzi o geny, które rządzą rozwojem i funkcjami mózgu, świetnie radzi sobie ze składaniem elementów w całość. W ciągu ostatnich kilku lat stał się jednym z wiodących genetyków w rodzącej się dziedzinie, której celem jest określenie, które geny są związane z rozwojem mowy i języka – oraz jak nasza inteligencja i umiejętności komunikacyjne ewoluowały poza te u naszych małpich krewnych, dając nam wyjątkową umiejętność mówienia.

Badania takie jak Geschwind znajdują się na przecięciu dwóch dziedzin: genetyki behawioralnej i biologii ewolucyjnej. Każda dziedzina zależy od drugiej, aby nadać sens zalewowi badań nad genetyką języka, które wylewają się obecnie z laboratoriów na całym świecie. Aby zajrzeć do ludzkiego mózgu i zobaczyć, jak zwykle przechowuje, używa i rozumie słowa, Geschwind bada nie tylko normalne ludzkie mózgi, ale także te, w których proces przebiega nie tak, studiując geny rodzin dotkniętych autyzmem, dysleksją, schizofrenią i innymi stany, które mogą obejmować zaburzenia mowy i języka. Badania te mogą pomóc w uszczegółowieniu diagnozy i leczenia zaburzeń językowych, ale mają też bardziej podstawowy cel. Badanie choroby to naprawdę fundamentalny sposób na zrozumienie normalnego funkcjonowania, mówi Geschwind. Choroba dała nam niezwykły wgląd w to, jak mózg działa lub może nie działać.

Podczas gdy genetyka behawioralna porównuje geny ludzi o różnych zdolnościach, biologia ewolucyjna porównuje geny różnych gatunków. Naukowcy wykorzystują te dane, aby określić, co ogranicza zdolności komunikacyjne innych gatunków, a co rozszerzyło nasze tak drastycznie, że język stał się jedną z naszych cech definiujących. Własne wyprawy Geschwinda do biologii ewolucyjnej skłoniły go do przyjrzenia się DNA w mózgach szympansów, małp, a nawet ptaków śpiewających. Wiele osób myśli, że nasze laboratorium jest wszędzie, mówi. W rzeczywistości jest całkiem zintegrowany. Język jest złożony, a jedynym sposobem, w jaki osiągniemy trafienie, jest to, że dwa lub trzy wyniki wskazują na to samo miejsce.

Dzięki ulepszonym technikom wykrywania DNA, a także najnowocześniejszym narzędziom analitycznym i sekwencjom genomowym gatunków od ludzi po myszy, Geschwind i inni badacze zaczęli wyjaśniać, w jaki sposób wyewoluowaliśmy zdolność do wyrafinowanej mowy. Ale chociaż neuronaukowcy pracujący w erze postgenomicznej poczynili znaczne postępy, dopiero zaczęli zarysować powierzchnię, w jaki sposób odpowiednie geny są wspólnie wprowadzane w działanie.

FOXP2 Polowanie
Pomimo ponad dziesięciu lat wysiłków i wielu kuszących tropów, neurogenetycy do tej pory definitywnie powiązali tylko jeden gen z mową i językiem. Historia jego odkrycia zaczyna się w 1990 roku, kiedy genetycy kliniczni z Instytutu Zdrowia Dziecka w Londynie po raz pierwszy donieśli o zaburzeniach mowy, które pojawiły się w trzech pokoleniach Brytyjczyków, znanych jako rodzina KE. Lekarze zwrócili uwagę na 15 członków dotkniętych chorobą, którzy wydawali się mieć problemy z gramatyką, składnią i słownictwem, które były związane ze słabą kontrolą mięśni twarzy i trudnościami w wymawianiu słów. Chociaż wydawało się jasne, że musi istnieć powiązanie genetyczne, naukowcy polowali przez ponad dekadę, zanim znaleźli odpowiedzialny gen.

Wielki przełom nastąpił w 1998 roku, kiedy genetycy z University of Oxford, kierowani przez Anthony'ego Monaco i Simona Fishera, zidentyfikowali wyraźną część chromosomu 7, związaną z problemami z mową i językiem występującym w rodzinie KE. Jednak region posiadał dziesiątki genów i nie byli w stanie wskazać jednego złego aktora. Wchodzi Jane Hurst, genetyk kliniczny, który pracował w szpitalu na terenie Oksfordu i przypadkowo była współautorką pierwszego raportu na temat rodziny KE.

Artykuł na temat chromosomu 7 skłonił Hurst do ponownego zbadania wyników amniopunkcji u ciężarnej kobiety niespokrewnionej z rodziną KE, którą przeanalizowała cztery lata wcześniej. Hurst odkryła, że ​​płód miał czkawkę chromosomową zwaną translokacją, a później dowiedziała się, że u dziecka pojawiły się problemy z mową i językiem uderzająco podobne do tych obserwowanych w rodzinie KE. Patrząc ponownie na wyniki, zauważyła, że ​​translokacja nastąpiła w tym samym regionie chromosomu 7, który zidentyfikował Fisher. Zadzwoniłem do Simona i powiedziałem: „Znalazłem pacjentkę, która da ci gen”, wspomina Hurst, dodając, że nie mówiła poważnie. Ale tak właśnie się stało: translokacja u chłopca zakłóciła gen zwany FOXP2 , który, jak się okazało, został zmutowany u 15 członków rodziny KE, którzy mieli poważne problemy.

Kiedy Monako, Fisher, Hurst i współpracownicy zgłosili konwergencję FOXP2 ustalenia z 4 października 2001 r., wydanie Natura , trafił na pierwsze strony gazet na całym świecie i, co ważniejsze, ogłosił początek nowej ery w badaniach nad mową i językiem.

Już wtedy naukowcy wiedzieli, że FOXP2 nie nakierowuje w pojedynkę mózgu na język. W wielkim teatrze genomu jest on rzucany jako czynnik transkrypcyjny, włączający lub wyłączający inne geny, mówiąc im, czy transkrybować swoje DNA na informacyjny RNA, co prowadzi do produkcji białek. i FOXP2 ma szeroki repertuar w rozwoju embrionalnym, odgrywając kluczową rolę w tworzeniu płuc, serca i jelit.

Już FOXP2 jest również wyraźnie zaangażowany w szlaki molekularne związane z mową i językiem. Klinicyści w kilku krajach zgłaszali obecnie pacjentów z nieprawidłowym FOXP2 geny i problemy z mową i językiem typu KE. Geschwind podjął niektóre z pierwszych kroków w odkryciu związku między FOXP2 i język. On i Fisher niedawno zbadali ludzkie mózgi płodowe i hodowle komórek nerwowych, aby określić, które geny są FOXP2 białko włącza się lub wyłącza w mózgu. Połączyli się FOXP2 do ponad 200 genów kontrolujących rozwój neuronów, uwalnianie neuroprzekaźników wysyłających wiadomości między nerwami oraz zmiany w synapsach, które leżą u podstaw uczenia się i pamięci. Niektóre z tych genów z dużym prawdopodobieństwem okażą się związane z mową i językiem. Aby przesiać tę genetyczną rzekę w poszukiwaniu klejnotów, Geschwind skupia się na około 15 genach, które również są powiązane ze schizofrenią, a także 34 genach, z którymi FOXP2 wiąże się w dwóch obszarach mózgu, które, jak wykazały inne badania, są związane z językiem i mową.

Do tej pory odkrycie FOXP2 powiązanie z mową i językiem przyniosło więcej pytań niż odpowiedzi. Ale otworzył drzwi, do których neuronaukowcy pukają od ponad wieku.

Sękaty umysł
W 1861 roku Pierre Paul Broca przybył na spotkanie Towarzystwa Antropologicznego w Paryżu z mózgiem innego mężczyzny. Broca, chirurg i neurolog, który był założycielem stowarzyszenia, wydobył mózg niezwykłego pacjenta, który był hospitalizowany przez 30 lat. Pacjent był znany jako Tan, ponieważ odpowiadał Tan, opalony na każde zadane mu pytanie. W końcu całkowicie stracił zdolność mówienia, chociaż rozumiał prawie wszystko, co słyszał. Broca po raz pierwszy spotkał Tana zaledwie pięć dni przed śmiercią, kiedy trafił na oddział chirurgiczny z powodu masywnej, gangrenowej infekcji. Podczas autopsji Broca odkrył, że mózg Tana zawierał wiele zmian, z których najbardziej rozległe i najstarsze znajdowały się pośrodku lewego płata czołowego. Broca twierdził, że to uszkodzenie spowodowało utratę mowy przez Tan.

Trzynaście lat później niemiecki lekarz Carl Wernicke opisał mózg pacjenta po udarze, który potrafił mówić, ale miał ogromne trudności ze zrozumieniem tego, co do niego mówiono. Ponownie wyróżniała się zmiana w lewej półkuli, chociaż znajdowała się bardziej z tyłu, w pobliżu przecięcia płatów skroniowego i ciemieniowego.

Gdy Geschwind wyjaśnia znaczenie tego, co jest obecnie znane jako obszary Broca i Wernickego, wskazuje na mózgową nieruchomość, którą zajmują w plastikowym mózgu, który w końcu zmontował. Kolejne badania wykazały, że oba obszary odgrywają kluczową rolę w mowie i języku. Chociaż uszkodzenie któregokolwiek z nich nie zawsze powoduje problemy, obwody neuronowe odpowiedzialne za mowę zwykle biegną wzdłuż lewej szczeliny Sylviana – rodzaju neuronowego Wielkiego Kanionu, który rozciąga się od obszaru Broca do obszaru Wernickego.

Geschwind urzekła ta asymetria i jej związek z ręcznością. Mniej więcej 90 procent z nas jest praworęcznych, a prawie wszyscy praworęczni zależą od tego lewego regionu perysylwia, jeśli chodzi o mowę i język. (Około 40 procent leworęcznych zamiast tego polega na prawym perysylwiańskim regionie lub używa obu półkul). Jest pewien rodzaj korzyści z przetwarzania, które zachodzi w języku – które jest niezwykle szybkie – aby wszystko było w jednym obwodzie na jednej półkuli , konkluduje.

Proces, który powoduje asymetrię, często zawodzi u osób z dysleksją, schizofrenią lub autyzmem – wszystkie zaburzenia związane z problemami językowymi. Tak więc Geschwind i inni rozpoczęli polowanie na aberracje genetyczne związane z zaburzeniami językowymi oraz na geny związane z różnicami w asymetrii mózgu, takie jak te związane z ręcznością.

Podczas gdy odkrycie mutacji w FOXP2 wymagało dużego wysiłku (i kupa szczęścia), a wszystko to wymagało analizy DNA nie więcej niż 50 osób. W przeciwieństwie do tego, żadna prosta mutacja pojedynczego genu prawdopodobnie nie zakłóci asymetrii mózgu ani nie spowoduje dysleksji, schizofrenii lub autyzmu. Problemy te są raczej spowodowane subtelnymi aberracjami w genach i sieciami genów działających wspólnie. Ta subtelność zmusza naukowców do zbierania i sortowania DNA od setek, jeśli nie tysięcy osób. Na przykład Autism Genome Project, duża międzynarodowa współpraca, w której uczestniczy Geschwind, przeprowadziła analizę ponad 1400 rodzin, w których co najmniej dwóch członków cierpi na zaburzenia ze spektrum autyzmu. W tym masowym badaniu nie wyizolowano ani jednego zmutowanego genu, ale znaleziono intrygujące powiązania między zaburzeniami a brakującymi lub dodatkowymi kopiami regionu chromosomu 11. Takie zmiany mogą zwiększać lub zmniejszać ilość białka wytwarzanego przez geny, z nieprzewidywalnymi skutkami .

Geschwind przyczynił się również do badania prowadzonego przez Clyde'a Francksa z Oksfordu, które ujawniło niektóre zawiłe powiązania między zaburzeniami związanymi z językiem, asymetrią mózgu i ręcznością. Badanie rozpoczęło się od polowania na gen kontrolujący ręczność u osób z dysleksją. Wcześniejsze doniesienia sugerowały, że osoby z dysleksją są bardziej leworęczne, a osoby leworęczne częściej mają zmniejszoną asymetrię. Francks i jego koledzy nie mogli potwierdzić tej sugestii, ale znaleźli region chromosomu 2, który wydawał się powiązany z leworęcznością. Następnie zbadali DNA par zdrowych leworęcznych braci: pojawiło się to samo połączenie z chromosomem 2, co jest dowodem na to, że gen lub geny w tym regionie mogą wpływać na ręczność. Dodając jeszcze bardziej dziwaczne powiązania, zespół przeprowadził badanie rodzeństwa ze schizofrenią, które wiązało się z tym samym regionem.

Aby znaleźć gen lub geny w sercu tego węzła powiązań, naukowcy porównali ten sam region chromosomu 2 u zdrowych osób praworęcznych, zdrowych leworęcznych i osób ze schizofrenią. Odkryli cztery różnice w DNA, które odróżniały schizofreników od zdrowych psychicznie leworęcznych; lokalizacja tych odmian doprowadziła je do genu zwanego LRRTM1 . Geschwind współpracował przy pracach, które pomogły określić, gdzie znajduje się ludzki mózg LRRTM1 został włączony lub wyrażony: prawdopodobnie pomaga kształtować struktury przodomózgowia i wpływa na sposób łączenia neuronów. Podejrzewa, że ​​we wczesnej ciąży przyczynia się również do asymetrii mózgu.

Francks i jego koledzy uważają, że pewne warianty LRRTM1 jakoś zmniejszyć produkcję LRRTM1 białko podczas rozwoju mózgu płodu. Przypuszczalnie obniżony poziom LRRTM1 mogło przyczynić się do zmniejszenia asymetrii mózgu, przechylając skale rozwojowe w kierunku leworęczności i schizofrenii – i potencjalnie w kierunku różnych problemów z mową i językiem.

Wszystko to składa się na niewiele więcej niż listę genów, które mogą, ale nie muszą być zaangażowane w tworzenie mowy i języka: FOXP2 ; geny, które FOXP2 współdziała z; geny z anomaliami liczby kopii związanych z autyzmem; oraz nieprawidłowy gen związany ze schizofrenią i leworęcznością. Przejście od korelacji między genami i zaburzeniami do wiedzy o obwodach neuronalnych, które pozwalają człowiekowi, ale nie szympansowi, zapytać: Być albo nie być? wymaga od badaczy znalezienia powiązań między pozornie odmiennymi odkryciami. W tym celu Geschwind i inni zwracają się do badań ewolucyjnych, które analizują te geny u innych gatunków i porównują je z ludzkimi wersjami. Takie badania mogą również dostarczyć wskazówek, w jaki sposób ludzie rozwinęli zdolność językową.

Pochodzenie mowy
Podobnie jak ptaki śpiewające, delfiny, wieloryby, nietoperze, słonie i – oczywiście – ludzie, małpy i małpy człekokształtne mogą uczyć się dźwięków i używać ich do komunikowania się. Od wielu dziesięcioleci naukowcy próbują rozszyfrować takie zwierzęce wiadomości. Próbowali również nauczyć szympansy, bonobo, goryle i orangutany używania symboli, leksygramów i języka migowego, a kilka małp z plakatów, takich jak Koko, Washoe i Kanzi, zyskało niemałą sławę dzięki filmom dokumentalnym PBS, okładkom czasopism oraz książki o ich umiejętnościach komunikacyjnych. Niektórzy wykazali nawet niezwykłą zdolność rozumienia wypowiadanych słów.

Niemniej jednak nieprzekraczalna granica oddziela naszą mowę i umiejętności językowe od ich. Najlepiej wyszkolone małpy mogą nauczyć się zaledwie kilkuset słów. Większość trzylatków ma większy zasób słownictwa, a przeciętny absolwent szkoły średniej ma w myślach około 60 000 słów. Lingwiści i psycholodzy, którzy badali małpy mówiące, w tym badacze, którzy nauczyli je komunikować się, podkreślają, że zwierzęta rzadko łączą nawet dwa słowa w semantyczną całość i nigdy nie wypowiadają złożonego zdania rekurencyjnego – takiego jak to – które zawiera jedną myśl w inne.

W nadziei na rozpoczęcie wyjaśniania tej rozbieżności Geschwind zbadał, które geny są włączone w mózgach ludzi i szympansów, naszych najbliższych genetycznych krewnych. Znalazł setki różnic, ale nie potrafił określić, które z nich mają znaczenie – które były najbardziej znaczące w napędzaniu ewolucji i określaniu funkcji mózgu. Przytłoczony, zwrócił się do przyjaciela matematyka z UCLA, Steve'a Horvatha.

Pod przewodnictwem Horvatha Geschwind i jego doktorant Michael Oldham opracowali nowy sposób podejścia do problemu. Zamiast przyglądać się różnicom między poszczególnymi genami, przeanalizowali różnice między sieciami genów ulegających ekspresji w tym samym czasie. W szczególności przyjrzeli się skrawkom z autopsji mózgów ludzi i szympansów i porównali te współekspresjonowane geny w określonych modułach, w tym w korze mózgowej, móżdżku i pierwotnej korze wzrokowej.

Odkryli, że w sieciach każdego modułu niektóre geny służyły jako koncentratory, łącząc się z wieloma innymi genami. Diagramy sieci przypominają mapy tras linii lotniczych, a zarówno mapy ludzi, jak i szympansów mają śmieszną liczbę węzłów i szprych. Ale diagramy ułatwiają zobaczenie najważniejszych genów – tych w węzłach. A kiedy zespół wziął ludzką mapę modułu i usunął wszystkie połączenia szympansów dla tego samego modułu, pozostało tylko kilka genów. Stało się zaskakująco jasne nie tylko, które geny są wyłącznie ludzkie, ale także które z nich są najważniejsze.

To podejście przyniosło spostrzeżenia, które nie były możliwe w przypadku starszych technik; po prostu porównując ekspresję poszczególnych genów u ludzi i szympansów, pomija się ogromną większość zmienności zachodzących między grupami genów. Chociaż nie pojawiły się jeszcze żadne nowe powiązania między genami a językiem, Geschwind i jego koledzy odkryli, że większość różnic występuje w korze mózgowej – tej części mózgu, która najbardziej się rozwinęła u ludzi i w której znajdują się obszary Broki i Wernickego. . Geschwind ma nadzieję, że szersze spojrzenie nie tylko na genom, ale także na transkryptom – zestaw genów, które są włączane w danym momencie – doprowadzi do lepszego wglądu w genetykę języka. „Musimy rozumieć transkryptom w taki sam sposób, w jaki rozumiemy genom”, mówi.

Jak dotąd jednak najbardziej intrygujące i konkretne genetyczne wskazówki dotyczące ewolucji mowy i języka wyłoniły się z prostych, bezpośrednich porównań zwierzęcych i ludzkich wersji FOXP2 . FOXP2 jest paradygmatyczny, mówi Geschwind. To właśnie ta latarnia i pierwszy dowód na to, że ten obszar badań może prowadzić do wspaniałych spostrzeżeń na temat istot ludzkich i ewolucji.

Wkrótce potem Fisher, Monako i ich koledzy połączyli się FOXP2 do ludzkiej mowy i języka, połączyli siły z wiodącą grupą biologii ewolucyjnej kierowaną przez Svante Pääbo w Instytucie Maxa Plancka w Lipsku w Niemczech. Odkryli, że białko wytwarzane przez FOXP2 Gen u szympansów jest praktycznie identyczny jak u myszy: tylko jeden aminokwas różni się między nimi. Biolodzy uważają, że jeśli białka ulegają niewielkim zmianom w ciągu ewolucyjnego okresu dziesiątek milionów lat, muszą pełnić tak podstawowe funkcje, że po prostu nie mogą tolerować zmian. Ale dwa aminokwasy w człowieku FOXP2 różnią się od tych w białku szympansa – w sumie trzy zmiany w porównaniu z wersją mysią. To, że gen wytrzymał tak dramatyczną zmianę w tak krótkim czasie (mówiąc ewolucyjnie), sugeruje, że zmiana ta pomogła nam przetrwać – tak jak rozwój języka z pewnością.

Następnie, w październiku 2007 r., Pääbo i współpracownicy opublikowali oszałamiający artykuł na temat FOXP2 u neandertalczyków, ewolucyjnych krewnych współczesnych ludzi, którzy wymarli 30 000 lat temu. Naukowcy wyizolowali części FOXP2 gen z kości dwóch neandertalczyków. Chociaż nie zsekwencjonowali jeszcze całego genu, odkryli, że neandertalczycy i współcześni ludzie pasowali do dwóch krytycznych punktów, które oddzielają ludzi od szympansów. Choć często przedstawiani jako głupcy, nasi najbliżsi hominidzi mogą mieć przynajmniej część naszych zdolności do mowy i języka. Nie ma powodu sądzić, że neandertalczycy nie mieli języka tak jak my, mówi Pääbo. Dodaje jednak, że wiele nieznanych genów związanych z językiem będzie w końcu musiało zostać odnalezionych i zbadanych u neandertalczyków.

Geschwind kontynuuje poszukiwania tych nieznanych genów, stosując w swoich pracach behawioralno-genetycznych opracowaną przez siebie technikę porównywania ekspresji genów u ludzi i szympansów. Jego laboratorium prowadzi obecnie tego samego rodzaju badania koekspresji na mózgach zdrowych ludzi i schizofreników, które, jak ma nadzieję, odkryją powiązania, które są zerwane w schizofrenii i być może doprowadzą do jeszcze większej liczby ścieżek genetycznych związanych z mową i językiem. Ma nadzieję, że w końcu przeprowadzi podobne analizy z autopsji mózgów osób z zaburzeniami ze spektrum autyzmu.

Do tej pory Geschwind i jego koledzy odkryli kilka interesujących genetycznych słów, które byli w stanie złożyć w kilka zdań, aby wyjaśnić korzenie mowy i języka. Nie potrafią jeszcze opowiedzieć spójnej historii. Mimo to buduje się pewność, że w niezbyt odległej przyszłości naukowcy będą mogli napisać długą książkę o tym, jak wyewoluowaliśmy nasz fenomenalny dar gadania, podkreślając krytyczne zestawy genów, które to umożliwiają. Jeśli to zrobią, mogą również znaleźć sposoby na naprawienie zakłóceń w tej sieci – zakłóceń, które mogą sprawić, że ludzie będą mieli poważną stratę słów.

ukryć