Dwa mózgi w jednym

Przez dziesięciolecia dominujący model rozwoju tego narządu zakładał istnienie jednej populacji komórek prekursorowych. Z niej miał powstawać cały mózg, a na kolejnych etapach embriogenezy wyodrębniały się poszczególne jego partie. Najnowsze badanie zespołu ze Stanford Medicine rzuca jednak zupełnie inne światło na ten proces. Wynika z niego, że przodomózgowie wraz ze śródmózgowiem wywodzą się z odrębnej puli komórek niż tyłomózgowie. Zdaniem autorów publikacji może to być ewolucyjna pamiątka po dwóch dawnych strukturach, które z czasem połączyły się w jeden organizm.

Podstawą tego podziału są odmienne funkcje pełnione przez poszczególne obszary. Przodomózgowie odpowiada między innymi za język, świadomość i myślenie abstrakcyjne. Z kolei tyłomózgowie kontroluje procesy ważne dla przeżycia: oddychanie, sen, pracę serca czy odczuwanie głodu. Jego neurony sterują także mięśniami twarzy, języka oraz gardła, co umożliwia mowę i połykanie.

Podział zakorzeniony w zarodku

Badacze skupili się na gastrulacji – jednym z najwcześniejszych etapów rozwoju zarodka, podczas którego formuje się podstawowy plan budowy ciała. To właśnie wtedy zidentyfikowali dwie niezależne ścieżki prowadzące do ukształtowania późniejszych struktur mózgowych – opisali to w tekście „Two parallel neural ectoderm progenitors contribute to the developing brain”¹.

W zarodkach myszy jedna grupa komórek prekursorowych wykazywała wysoką aktywność genu Otx2, dając początek przodomózgowiu i śródmózgowiu. W drugiej populacji aktywny był gen Gbx2, a jej komórki budowały tyłomózgowie. Co istotne, obie grupy komórek nie nakładały się na siebie i od samego początku pozostawały ściśle rozdzielone.

Analizy struktury DNA wykazały, że komórki tworzące przednią i tylną część mózgu różnią się profilem dostępności genów już na najwcześniejszych etapach rozwoju. Część materiału genetycznego pozostaje w nich aktywna, podczas gdy inna jest wyciszona. Stanowi to mocny dowód na to, że obie partie mózgowia rozwijają się według odrębnych programów biologicznych.

Przełom w hodowli komórkowej

To odkrycie pomogło rozwiązać problem, który od lat spędzał sen z powiek neurobiologom. Choć naukowcy potrafili już wyprowadzać z ludzkich komórek macierzystych rozmaite rodzaje neuronów, pozyskanie komórek tyłomózgowia graniczyło z cudem.

– Wcześniejsze próby wytwarzania tych struktur prawdopodobnie polegały na zmuszaniu prekursorów przodomózgowia do zmiany przeznaczenia, co – jak udowodniliśmy – biologicznie nie jest możliwe – wyjaśnił Rayyan Jokhai, współautor badania z Uniwersytetu Stanforda.

Zespół podszedł do zagadnienia inaczej.

Zamiast korygować błędną ścieżkę dojrzałych komórek, naukowcy cofnęli się do wcześniejszego etapu rozwoju i skierowali ludzkie pluripotencjalne komórki macierzyste bezpośrednio ku właściwej populacji prekursorowej. Metoda przyniosła skutek. Badacze po raz pierwszy uzyskali w warunkach laboratoryjnych w pełni funkcjonalne ludzkie neurony ruchowe tyłomózgowia. Wykazywały one aktywność elektryczną w postaci potencjałów czynnościowych oraz produkowały białka charakterystyczne dla obszarów zarządzających mięśniami twarzy i odruchem połykania.

– Pokazaliśmy po raz pierwszy, że przednia część mózgu powstaje z zupełnie innej komórki macierzystej niż jego część tylna – wyjaśniła prof. Kyle Loh ze Stanford Medicine, dodając, że sukces pozwa myśleć o szczegółowych badaniach nad funkcjami tyłomózgowia in vitro.

Nowe perspektywy w walce z ALS i SMA

Możliwość hodowania tych specyficznych neuronów ma ogromne znaczenie medyczne. To właśnie one ulegają selektywnemu uszkodzeniu w przebiegu ciężkich chorób neurodegeneracyjnych, takich jak rdzeniowy zanik mięśni (SMA – spinal muscular atrophy) oraz stwardnienie zanikowe boczne (ALS – amyotrophic lateral sclerosis). W obydwu schorzeniach komórki te stopniowo obumierają, co prowadzi u pacjentów do zaburzeń połykania (zwiększających ryzyko zachłystowego zapalenia płuc) oraz – w zaawansowanych stadiah – utraty zdolności samodzielnego oddychania.

Dotychczas prowadzenie badań nad tymi tkankami u ludzi było niemal niemożliwe ze względu na niedostępność zdrowego lub chorobowo zmienionego pnia mózgu u żyjących pacjentów. Nowa technologia pozwala obserwować procesy chorobowe w laboratorium od samego początku i testować potencjalne leki z niespotykaną dotąd precyzją.

Ewolucyjne korzenie sprzed miliona lat

Dlaczego jednak mózg przyjął tak nietypowy, podwójny plan budowy?

Odpowiedzi na to pytanie autorzy poszukali w filogenetyce, porównując układy nerwowe odległych ewolucyjnie gatunków. Analogiczny schemat rozwojowy naukowcy zidentyfikowali u ptaków (kur), ryb (danio pręgowany) oraz jelitodysznych – morskich bezkręgowców należących do półstrunowców. Ponieważ linie ewolucyjne półstrunowców i kręgowców rozdzieliły się około 570 milionów lat temu, mechanizm ten musi sięgać wspólnego przodka obu grup.

Jeszcze starszych dowodów dostarczają parzydełkowce (np. meduzy), których linia oddzieliła się od naszej nawet 700 mln lat temu. Stworzenia te posiadają dwa odrębne układy nerwowe ulokowane w różnych partiach ciała.

Na tej podstawie badacze sformułowali hipotezę, że współczesny mózg nie wyewoluował jako jednolita struktura od samego początku, lecz jest efektem połączenia dwóch dawnych, niezależnych układów.

– Nasze badania sugerują, że ewolucja wzięła dwa gotowe układy nerwowe i przestrzennie je ze sobą spoiła – podsumowała prof. Kyle Loh.

Choć prostszy wydawałby się jeden jednolity system budowy, organizm do dziś korzysta z tego pradawnego rozdziału, formując obie części osobno.

Przypis:

1. www.nature.com/02433-7.

Tekst opublikowano na stronie internetowej Academii – portalu Polskiej Akademii Nauk.

Mózg w trybie samozagładyKomórki mózgowe do tej pory uważane za wyłączenie wspomagające układ nerwowy mogą z czasem wywoływać spadek sprawności umysłowej.

Przeczytaj także: „Mózg w trybie standby” i „Gra o niepamięć”.