Вчені давно розглядають мозок як єдиний орган зі спільним походженням розвитку. Нове дослідження під керівництвом Stanford Medicine ставить під сумнів це основне припущення, показуючи, що те, що ми називаємо мозком, насправді складається з двох окремих систем, які еволюціонували окремо протягом сотень мільйонів років еволюції.
Протягом десятиліть домінуюча модель вважала, що весь мозок розвинувся з однієї популяції примітивних клітин. Згідно з цією точкою зору, передній, середній і задній мозок повертаються до тієї самої вихідної точки розвитку.
Нові відкриття вказують на зовсім іншу картину. Дослідники виявили, що мозок людини поєднує дві стародавні нервові системи. Один з них створює структури, які відповідають за такі важливі функції, як дихання та контроль серцевого ритму. Це породжує інші сфери, пов’язані зі здібностями, такі як мова, математика, абстрактне мислення та роздуми про наше існування.
Це відкриття також може пояснити давню проблему в нейронауці: чому дослідники мали стільки проблем з вирощуванням клітин мозку в лабораторії. Це може надати нові можливості для дослідження захворювань, що вражають стовбур мозку, включаючи спінальну м’язову атрофію (також відому як SMA) і бічний аміотрофічний склероз (також відомий як ALS або хвороба Лу Геріга).
«Ми вперше показали, що передній мозок виникає з абсолютно іншої лінії клітин, ніж задня частина мозку», — сказав Кайл Лох, доктор філософії, доцент кафедри біології розвитку. «Наше відкриття означає, що тепер ми можемо вирощувати нейрони із заднього мозку, заднього мозку, у чашці Петрі та вивчати їхні функції».
Результати будуть опубліковані Неврологія природи 18 вересня Лох великий автор. Аспіранти Керолін Дандес і Раян Джохай є співавторами дослідження.
Два джерела розвитку мозку
Головний мозок дорослої людини ділиться на три основні відділи: передній, середній і задній. Передній мозок підтримує багато здібностей, які люди найчастіше асоціюють зі складним мисленням, включаючи мову, свідомість і абстрактне мислення.
З іншого боку, задній мозок розташований на задній частині черепа і часто називається стовбуром мозку. Він допомагає контролювати автоматичні процеси виживання, включаючи дихання, сон, регуляцію серцевого ритму та відчуття голоду. Нейрони в задньому мозку також керують м’язами обличчя, язика та горла, які важливі для розмови та ковтання.
Незважаючи на важливу роль заднього мозку, вчені десятиліттями намагалися створити нейрони в мозку людини в лабораторії. Це обмеження значно ускладнило вивчення серйозних захворювань стовбура мозку, включаючи спінальну м’язову атрофію та бічний аміотрофічний склероз.
СМА є основною генетичною причиною смерті дітей віком до 1 року. АЛС найчастіше діагностується у віці від 40 до 70 років і вражає як передній, так і задній мозок. При обох захворюваннях певні нейрони мозку поступово припиняють роботу. Згодом пацієнти можуть втратити здатність ковтати, що підвищує ризик пневмонії, якщо їжа або рідина потрапляє в легені, а пізніше втрачає здатність дихати.
Поширення, що починається на початку розвитку
Ключове розуміння прийшло, коли дослідники подивилися на одну з найраніших стадій ембріонального розвитку. Під час гаструляції формується основна структура органу.
Джохай і Дандес виявили, що задній мозок не виглядає як подальша гілка шляху розвитку, який створює передній і середній мозок. Натомість вона від початку йде своїм шляхом і розвивається разом з іншими напрямками.
Щоб дослідити цей процес, дослідники вивчали розвиток мишачих ембріонів і ідентифікували дві різні популяції клітин-попередників мозку.
Одна популяція експресує ген під назвою Otx2, який призначений для формування переднього та середнього мозку. Друга популяція експресує ген Gbx2 і розвивається в задньому мозку. Дослідники виявили, що дві популяції залишалися відокремленими і не схрещувалися навіть на ранніх стадіях, які вони досліджували.
Різниця стала ще більш зрозумілою, коли команда дослідила хроматин, матеріал, який зв’язує ДНК усередині клітин і контролює, які гени доступні для використання, а які залишаються недоступними.
Передня нервова ектодерма (майбутній передній і середній мозок) і задня нервова ектодерма (майбутній задній мозок) мали принципово різні конфігурації хроматину. Ці відмінності з самого початку змусили клітини розділити шляхи розвитку.
«Попередні спроби створити нейрони заднього мозку, ймовірно, намагалися залучити клітини-попередники мозочка та середнього мозку до клітин заднього мозку, що, як показує наше дослідження, неможливе», — сказав Джохай.
Це відкриття може пояснити, чому попередні спроби створити нейрони в задній частині мозку були настільки складними. Можливо, дослідники намагалися перепрограмувати тип клітини-попередника на іншу долю, на яку вона ніколи не була здатна.
«У біології стовбурових клітин люди завжди були стурбовані створенням остаточного типу клітини, такого як нейрон», — сказав Джохай. «Але важливо починати з самих ранніх стадій ембріонального розвитку. Наша пильна увага до цієї ранньої точки дозволила нам знайти цей фундаментальний поділ у розвитку мозку».
Вирощування нейронів мозку людини в лабораторії
Коли дослідники зрозуміли, що задній мозок має певний шлях розвитку, вони змогли використати ці знання для вирішення основних лабораторних завдань.
Команда вперше успішно трансформувала плюрипотентні стовбурові клітини людини (тип клітин, які можуть дати початок кожній клітині людського тіла) у функціональні рухові нейрони в задньому мозку.
Клітини поводилися як рідні нейрони в мозку. Вони генерували електричні сигнали, відомі як потенціали дії, і створювали білки, пов’язані з певними ділянками заднього мозку, які контролюють м’язи обличчя та ковтання.
Потім дослідники звернулися до еволюції, щоб побачити, як далеко може поширитися цей розрив у розвитку.
Зразок, якому понад 500 мільйонів років
Озираючись на 550 мільйонів років еволюційної історії, команда знайшла докази того самого подвійного походження у курей, зебр і навіть акулячих черв’яків. Ці крихітні тварини живуть на дні моря і мають дуже далекого спільного предка з людьми.
Дослідники також відзначили, що медузи, які відокремилися від людини приблизно 600-700 мільйонів років тому, мають дві нервові системи, розташовані на різних кінцях тіла.
Разом ці результати свідчать про те, що мозок сучасних хребетних виник, коли еволюція зблизила дві нервові системи, які раніше існували.
«Наше дослідження показує, що еволюція взяла дві існуючі нервові системи та виштовхнула їх у космос», — сказав Ло. «Мати мозок як єдиний орган, мабуть, було б ефективніше, але ми покладаємося на цей примітивний підхід, щоб побудувати мозок як дві окремі частини».
«Я був здивований нашими відкриттями, оскільки слово «мозок» має на увазі орган, який, ймовірно, має єдине походження», — сказав Джохай. «Але навіть 500 мільйонів років тому існували окремі нервові системи, які зараз працюють майже як одна, і це чудово».
Нові можливості для дослідження ALS та SMA
Робота може мати важливі наслідки для вчених, які вивчають СМА, БАС та інші захворювання, які пошкоджують стовбур мозку.
Однією з головних перешкод був доступ до тканин людини. Зразки стовбура мозку не можна зібрати у живих пацієнтів для рутинних досліджень, що дуже ускладнює безпосереднє дослідження пошкоджених нейронів. Здатність вирощувати нейрони в задній частині мозку в чаші може дозволити вченим з більшою точністю побачити, що йде не так при цих захворюваннях.
Задній мозок також бере участь в іншій важливій галузі медицини: контроль ваги. Він містить нейронні ланцюги, які регулюють почуття голоду, і це одна з систем, на яку впливають препарати для схуднення, такі як семаглутид.
Тепер дослідники хочуть зрозуміти, де розвивається спинний мозок, і більш точно визначити, як SMA і ALS пошкоджують нейрони в мозку.
«Тепер у нас є модель для кращого розуміння цих руйнівних хвороб і роботи над регенеративною терапією», — сказав Джохай. «Це дуже захоплюючий новий рубіж у дослідженні мозку».
У дослідженні взяли участь дослідники з Каліфорнійського технологічного інституту та Каліфорнійського університету в Сан-Франциско.
Ця робота була підтримана Національними інститутами охорони здоров’я (гранти DP5OD024558, DP2GM146258, R00GM121852, R01DK115728, R01DE027538, T32GM119995, T32GM007360, T32GM037360 і F31DE031154); Національний науковий фонд; Каліфорнійський інститут реабілітаційної медицини; Навколишня будова спинних м’язів; грант Науково-дослідного інституту здоров’я матері та дитини в Стенфорді; Стенфордські центри Бекмана та Людвіга; Інститут стовбурових клітин Сібеля; грант Фонду Стейнхарта-Ріда; Благодійний фонд Гетсбі; Медичний інститут Говарда Хьюза; Packard Foundation; благодійні фонди Pew; Фонд Бакстера; Human Frontier Science Program; а також анонімні родини Фікелл, Гілберт і Стінхарт-Рід.
