Мозг человека состоит из двух отдельных органов, показало исследование Stanford Medicine
На протяжении веков учёные рассматривали мозг как единый, цельный орган. Но новое исследование, проведённое Stanford Medicine, показало, что то, что мы называем мозгом, представляет собой два отдельных органа, которые эволюционировали независимо на протяжении сотен миллионов лет.
Это открытие опровергает давно господствовавшую модель развития мозга. Десятилетиями исследователи придерживались теории, согласно которой существует единственная клетка-предшественник на ранних этапах развития, дающая начало всему мозгу. Эта модель предполагала, что все части мозга имеют общее происхождение.
Новое исследование показывает, что человеческий мозг состоит из двух древних нервных систем, искусно упакованных вместе — более примитивной части, регулирующей сердцебиение, дыхание и другие функции, и другой, которая делает нас собственно людьми, способными к поэзии, математике и размышлениям о собственном происхождении.
Открытие может помочь объяснить, почему учёные десятилетиями изо всех сил пытались вырастить определённые типы клеток мозга в лаборатории — и открывает новые пути для изучения разрушительных заболеваний, поражающих ствол мозга, таких как спинальная мышечная атрофия (СМА) и боковой амиотрофический склероз (БАС, болезнь Лу Герига).
«Впервые мы показали, что передняя часть мозга возникает из совершенно другой клетки-предшественника, чем задняя часть мозга»,сказал Кайл Лох (Kyle Loh), PhD, доцент кафедры биологии развития.
«Наше открытие означает, что теперь мы можем выращивать нейроны задней части мозга, ствола мозга, в чашке Петри и изучать их функции».
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Neuroscience 18 сентября. Лох — главный автор работы. Аспиранты Кэролин Данде (Carolyn Dundes) и Райян Джохай (Rayyan Jokhai) — соавторы исследования.
Два мозга
Взрослый мозг имеет три основных отдела: передний мозг, средний мозг и ствол мозга (задний мозг). Передний мозг отвечает за высокоуровневое мышление — язык, сознание и абстрактное рассуждение. В контраст, ствол мозга, расположенный в задней части черепа и часто называемый стволом мозга, контролирует жизненно важные, автоматические функции, поддерживающие жизнь: дыхание, сон, регуляцию сердцебиения и чувство голода. Нейроны ствола мозга также управляют мышцами лица, языка и горла, влияя на речь и глотание.
Несмотря на критическую важность ствола мозга, учёные десятилетиями безуспешно пытались получить человеческие нейроны ствола мозга в лаборатории. Этот пробел затруднил исследование разрушительных заболеваний, поражающих ствол мозга, включая спинальную мышечную атрофию и боковой амиотрофический склероз.
СМА является ведущей генетической причиной смертности детей в возрасте до 1 года. БАС, диагностируемый обычно в возрасте от 40 до 70 лет, поражает как передний мозг, так и ствол мозга. При обоих расстройствах определённые нейроны ствола мозга постепенно перестают функционировать, пациент теряет способность глотать, что может вызвать пневмонию при попадании пищи или жидкости в лёгкие; в итоге пациенты теряют способность дышать.
Прорыв исследователей пришёл из изучения самых ранних моментов эмбрионального развития, на этапе, называемом гаструляцией, когда тело первый раз принимает форму. Джохай и Данде обнаружили, что ствол мозга следует отдельному пути развития, идущему параллельно — а не ответвляющемуся от — пути, создающему передний и средний мозг.
Исследователи узнали об этом, исследуя развивающиеся эмбрионы мышей. Они определили две различные клетки-предшественники мозга. Одна, которая экспрессирует ген Otx2, предназначена стать передним и средним мозгом. Другая, которая экспрессирует ген Gbx2, нацелена на формирование ствола мозга. Они показали, что эти две клеточные популяции никогда не перекрываются; они взаимно исключают друг друга с самых ранних этапов развития.
Затем команда исследовала упаковку ДНК, или хроматин, в этих клетках. Хроматин — это способ, которым клетки определяют, какие гены легко доступны, а какие упакованы и недостижимы. Обнаруженное было поразительным: передняя нейральная эктодерма (будущий передний и средний мозг) и задняя нейральная эктодерма (будущий ствол мозга) имеют принципиально различные конфигурации хроматина. Эти различия по сути заблокировали каждую клетку-предшественницу в своей судьбе, как путешественники на параллельных путях, которые никогда не пересекаются.
«Предыдущие попытки создать нейроны ствола мозга, вероятно, пытались переделать предшественников переднего и среднего мозга в клетки ствола мозга, что наше исследование показало невозможным»,сказал Джохай.
Это откровение объяснило десятилетия разочарования в этой области — учёные пытались превратить один тип клетки-предшественника в другой, чего он принципиально не может стать.
«В биологии стволовых клеток люди всегда зациклены на создании конечного типа клеток, например нейрона»,сказал Джохай.
«Но важно начинать с самых ранних этапов эмбрионального развития. Наше пристальное внимание к этому раннему моменту позволило нам найти это фундаментальное разделение в развитии мозга».
Выращивание нейронов ствола мозга
Вооружившись этим знанием, исследователи впервые успешно заставили человеческие плюрипотентные стволовые клетки (вид клеток, которые могут создавать любую клетку человеческого тела) превратиться в функциональные двигательные нейроны ствола мозга в лаборатории. Эти выращенные в лаборатории нейроны демонстрировали все признаки аутентичных клеток ствола мозга: они проявляли волны электрической активности, называемые потенциалами действия, и производили белки, которые идентифицируют сегменты ствола мозга, контролирующие лицевые мышцы и мышцы глотания.
Наконец, исследователи посмотрели назад на эволюционный период в 550 миллионов лет. Они обнаружили тот же паттерн двойного происхождения мозга у кур, рыб данио и, что примечательно, у жёлудевидных червей — крошечных существ, живущих на морском дне, которые имеют общего с людьми далёкого предка. Медузы, которые отделились от людей примерно 600–700 миллионов лет назад, имеют две нервные системы на разных концах своего тела.
«Наше исследование предполагает, что эволюция взяла две существующие нейральные системы и просто сдвинула их вместе пространственно»,сказал Лох.
«Наличие мозга как одного органа было бы, вероятно, более эффективным, но мы полагаемся на этот первобытный способ создания мозга как двух отдельных частей».
«Меня удивили наши находки, потому что слово 'мозг' подразумевает единый, непрерывный орган, который, вероятно, имеет одно происхождение»,сказал Джохай.
«Но даже 500 миллионов лет назад существовали эти отдельные нейральные системы, которые сейчас почти работают как одна, что очень круто».
Исследование также имеет последствия для изучения методов лечения СМА, БАС и других состояний, поражающих ствол мозга. До сих пор изучение этих заболеваний было практически невозможным, потому что учёные не могли получить ткань ствола мозга у живых пациентов. Возможность выращивать эти нейроны в чашке открывает новые возможности для понимания того, что идёт не так. Есть даже неожиданная связь с лечением ожирения: ствол мозга содержит цепи, регулирующие чувство голода — именно так работают препараты для снижения веса, такие как семаглютид.
Исследователи хотели бы расширить свои исследования, чтобы определить происхождение спинного мозга и выяснить, как именно СМА и БАС нарушают функцию нейронов ствола мозга.
«Теперь у нас есть модель для лучшего понимания этих разрушительных заболеваний и работы над регенеративной терапией для них»,сказал Джохай.
«Это очень волнующая новая граница исследования мозга».
Исследователи из Калифорнийского технологического института и Университета Калифорнии в Сан-Франциско внесли вклад в исследование.
Эта работа была поддержана Национальными институтами здоровья (гранты DP5OD024558, DP2GM146258, R00GM121852, R01DK115728, R01DE027538, T32GM119995, T32GM007365, T32GM007790 и F31DE031154); Национальным научным фондом; Калифорнийским институтом регенеративной медицины; Фондом спинальной мышечной атрофии; грантом Научно-исследовательского института материнского и детского здоровья Stanford; Центрами Бекмана и Людвига при Stanford; Институтом стволовых клеток имени Сибела; грантом Фонда Стайнхарта-Рида; Благотворительным фондом Гэтсби; Медицинским институтом Говарда Хьюза; Фондом Паккарда; Благотворительными фондами Пью; Фондом Бакстера; Международной программой Science Frontiers; а также семьями-спонсорами Фикель, Гилберт и Стайнхарт-Рид.