I. Exploring the origin and evolutionary process of the neocortex

In all vertebrate species, the dorsal part of the telencephalon is recognized as homologous brain region, which is called the "pallium". However, the anatomical structures of the pallial derivetives in mature brains are extensively diverged among vertebrates, particularly in amniotes. For example, the mammalian pallium elaborates the cerebral cortex, which is characterized by tangentially expanded surface area and a six-layered laminar structure. On the contrary, the reptilian and avian pallium constitute a three-layered simple cortex or nuclear structures. Distinct styles of pallial architectures are thought to be formed by differential regulations of neural stem/progenitor cell proliferation and differentiation during embryogenesis; although resposible changes in the developmental programs are yet to be determined. 

   Here we focus on the divergence of the pallial structures in amniotes, and try to identify the developmental programs that provided species-specific brain architectures. In vivo electroporation, genetic fate mapping and in vitro re-construction experiments are relevant and powerful tools to tackle brain evo-devo, which will shed light on the history of cortical evolution during 3 hundred million years.

 

II. Comparative developmental approaches to understand human evolution

Modern humans exhibit unique anatomical characteristics, such as enormously expanded cerebral cortex and skeletal systems adapted for bipedal walking. What kinds of changes in developmental processes contributed to the evolution of human specific traits? To tackle this question, we take advantage of developmental and evolutionary approaches to explore changes in cellular and molecular mechanisms underlying human evolution.

 

 I. 哺乳類大脳皮質の起源と進化過程の解明

脊椎動物の終脳背側領域は外套 (Pallium) と呼ばれ、少なくともすべての羊膜類において相同な領域として発生します。ところが、この外套から派生する脳構造は動物群によって極めて多様な形態をとります。
 例えば哺乳類では外套領域が著しく拡大し、かつ6層の層構造が構築されます。一方トカゲ、ヤモリのような鱗竜類 (Lepidosauria)、あるいはカメ、ワニ、トリのような主竜類 (Archosauria) では、外套の拡大は起こらず、3層構造あるいは神経核構造が形成されます (Journal of Experimental Zoology 2013; Neuroscience Research 2014)。
こうした多様な脳形態は、外套領域の神経幹・前駆細胞の増殖と分化のタイミング、さらに神経細胞サブタイプの特異化や移動様式の時空間的な制御機構の違いによるものと推測されます。一方、完成品としては多様であっても、設計図の一部や部品を共有している場合もあり、こうした特性はそれぞれの動物群の共通祖先の形質を受け継いでいると考えられます (PLoS One 2008; Nature Communications 2013; Development 2016; Development 2018; Cell Reports 2018; Cell Reports 2020; Nature Communications 2022)。そこで我々は、羊膜類の比較分子発生学的解析を通して、特に大脳皮質の拡大と層形成をもたらした分子機構を解明し、こうした分子機構が進化の過程で如何にして獲得されたかを予測したいと考えています。

 

 

II. ヒト特異的表現型の進化発生学的解析

二足歩行に適応した骨格系や著しく肥大化した大脳サイズなど、現生人類は特異的な解剖学的特徴を有しています。こうしたヒト特異的な表現型は一体どのようにして進化してきたのでしょうか?この問題を明らかにするため、ヒト進化の過程で起こったゲノムや遺伝子の変化に着目し、その表現型への寄与を比較発生学的アプローチや遺伝子改変マウスの作製などよって明らかにしていきます。ヒト表現型の特異性をもたらした分子機構の解明は、生物学的視点からヒトの進化史を解き明かすだけでなく、さまざまなヒト疾患の病態理解につながります。


これまで、in vitroin vivo での胚操作と遺伝子導入技術の確立 (Development 2004; Development 2006; Frontiers in Neuroscience 2015)、遺伝学的手法による幹細胞の系譜解析 (Cell Stem Cell 2010; Cell Reports 2018) を行ってきました。今後、すべての羊膜類胚を対象とした比較形態学的解析に加えて、幹細胞クローン解析、in vitro脳再構築実験、in vivo 遺伝子機能獲得および阻害実験、トランスジェニック動物作製技術を駆使して、哺乳類の進化過程を多角的なアプローチによって明らかにしていく予定です。