Исследователи опровергли теорию единого происхождения мозга человека

Ученые из Стэнфордской медицинской школы обнаружили, что мозг человека на самом деле представляет собой не единый орган, а два отдельных, которые независимо развивались на протяжении сотен миллионов лет. Исследование показало, что передний и задний отделы мозга берут начало от разных клеток-предшественников и не могут превращаться друг в друга. Работа опубликована в журнале Nature Neuroscience.

Долгое время считалось, что мозг это единое целое, которое формируется из одной группы клеток. Однако новое исследование меняет это представление. Оказывается, наш мозг состоит из двух древних нервных систем, которые возникли независимо друг от друга и лишь со временем объединились в то, что мы привыкли называть единым органом. Это открытие не только меняет учебники, но и объясняет, почему в течении долгого времени ученые не могли вырастить в лаборатории некоторые типы нейронов.

Взрослый мозг человека условно делят на три части: передний, средний и задний мозг. Передний отвечает за сложные вещи — язык, сознание, абстрактное мышление. Задний, который часто называют стволом мозга, управляет автоматическими функциями: дыханием, сном, сердцебиением, чувством голода. Он же контролирует мышцы лица, языка и горла, влияющие на речь и глотание.

Несмотря на важность заднего мозга, ученые долго не могли получить его нейроны в лабораторных условиях. Это мешало изучать тяжелые заболевания, такие как спинальная мышечная атрофия (СМА) и боковой амиотрофический склероз (БАС). СМА — одна из главных генетических причин смерти детей до года. БАС обычно диагностируют в возрасте от 40 до 70 лет. При обоих заболеваниях нейроны заднего мозга постепенно перестают работать, человек теряет способность глотать, а затем и дышать.

Прорыв произошел при изучении самых ранних стадий развития эмбриона — стадии гаструляции, когда тело только начинает формироваться. Исследователи работали с эмбрионами мышей и обнаружили две разные популяции клеток-предшественников. Одни клетки, с геном Otx2, дают начало переднему и среднему мозгу. Другие, с геном Gbx2, заднему мозгу. Эти популяции никогда не пересекаются: они взаимоисключающие с самых ранних этапов.

Затем ученые изучили упаковку ДНК в этих клетках. Оказалось, что передняя и задняя части будущего мозга имеют принципиально разную конфигурацию хроматина — материала, который определяет, какие гены доступны, а какие заблокированы. Различия как бы заранее фиксируют судьбу каждой клетки. Пути развития переднего и заднего мозга идут параллельно и никогда не пересекаются.

Это объясняет десятилетия неудач в лабораториях. Ученые пытались превратить клетки-предшественники переднего мозга в клетки заднего, но это принципиально невозможно. «Предыдущие попытки создания нейронов заднего мозга, вероятно, были направлены на то, чтобы заставить клетки-предшественники переднего и среднего мозга интегрироваться в клетки заднего мозга, что, как показывает наше исследование, невозможно», — говорит Райян Джохай, один из авторов работы.

Вооружившись этими знаниями, исследователи впервые успешно превратили человеческие плюрипотентные стволовые клетки в функциональные двигательные нейроны заднего мозга в лаборатории. Эти клетки проявляли электрическую активность и вырабатывали белки, характерные для сегментов заднего мозга, которые контролируют лицевые и глотательные мышцы.

Исследователи также заглянули в эволюцию, насчитывающую более 550 миллионов лет. Они обнаружили такую же модель развития мозга у кур, рыбок данио и даже у желудевых червей — крошечных существ, обитающих на дне океана. У медуз, которые отделились от человека около 600–700 миллионов лет назад, есть две нервные системы на разных концах тела. По мнению ученых, в ходе эволюции эти две системы пространственно сблизились. Возможно, иметь единый мозг было бы эффективнее, но природа пошла по пути объединения двух отдельных частей.

Открытие имеет важное практическое значение. Возможность выращивать нейроны заднего мозга в чашке Петри открывает новые пути для изучения СМА, БАС и других заболеваний, поражающих ствол мозга. Раньше такие исследования были практически невозможны, потому что ученые не могли получить ткани ствола мозга от живых пациентов. Кроме того, обнаружена неожиданная связь с лечением ожирения: задний мозг содержит цепи, регулирующие чувство голода, именно на них действуют препараты для снижения веса, такие как семаглутид.

В результате ученые доказали, что передний и задний отделы мозга развиваются из разных клеток-предшественников по независимым путям, которые никогда не пересекаются. Это открытие объясняет прежние неудачи в выращивании нейронов заднего мозга и дает новую модель для изучения тяжелых заболеваний ствола мозга, а также открывает возможности для регенеративной медицины.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях