Przełomowe odkrycie dotyczące mózgu. Szkolne podręczniki do zmiany

Wyniki najnowszych badań prowadzonych przez naukowców ze Stanford Medicine rzucają zupełnie nowe światło na budowę i ewolucję ludzkiego mózgu. Doniesienia opublikowane dziś na łamach prestiżowego czasopisma "Nature Neuroscience" podważają dotychczasowe przekonania dotyczące powstawania i funkcjonowania tego najważniejszego organu układu nerwowego. Okazuje się, że mózg człowieka nie jest jednolitą strukturą, lecz składa się z dwóch odrębnych narządów, które ewoluowały niezależnie od siebie przez setki milionów lat.

Naukowcy byli do tej pory przekonani, że cały mózg wywodzi się z jednej wspólnej komórki progenitorowej, która w trakcie rozwoju zarodkowego daje początek wszystkim jego częściom. Najnowsze badania zespołu kierowanego przez prof. Kyle’a Loha z Uniwersytetu Stanforda pokazują jednak, że rzeczywistość jest znacznie bardziej złożona. Udało się bowiem zidentyfikować dwa zupełnie różne typy komórek progenitorowych, z których jedna daje początek przodomózgowiu i śródmózgowiu, a druga tyłomózgowiu, czyli strukturze znanej jako pień mózgu.

To odkrycie nie tylko zmienia nasze rozumienie rozwoju mózgu, ale także wyjaśnia, dlaczego przez lata naukowcy mieli ogromne trudności z hodowlą niektórych typów komórek nerwowych w warunkach laboratoryjnych. Nie wiadomo było, dlaczego próby przekształcenia komórek progenitorowych przodomózgowia w komórki tyłomózgowia kończyły się niepowodzeniem. Teraz można to wyjaśnić, bowiem okazuje się, że podążają zupełnie odrębnymi liniami rozwojowymi.

Ludzki mózg składa się z trzech głównych części: 

• przodomózgowia, 
• śródmózgowia,
• tyłomózgowia. 

Przodomózgowie odpowiada za wyższe funkcje poznawcze, takie jak język, świadomość czy myślenie abstrakcyjne. 

Śródmózgowie wiąże się ze zmysłami wzroku i słuchu. Zajmuje się też kontrolą ruchu.

Tyłomózgowie, czyli pień mózgu, kontroluje natomiast podstawowe funkcje życiowe, oddychanie, bicie serca, sen czy odczuwanie głodu. To właśnie ta część mózgu odpowiada także za kontrolę mięśni twarzy, języka i gardła, co ma kluczowe znaczenie dla mowy, ale i połykania.

Nasz mózg to dwa odrębne narządy

Nowe badania wykazały, że już na bardzo wczesnym etapie rozwoju zarodkowego, podczas procesu gastrulacji, w komórkach tworzących później przodomózgowie i śródmózgowie aktywuje się gen Otx2, podczas gdy w komórkach, z których powstanie tyłomózgowie, aktywny jest gen Gbx2. Co istotne, te dwie populacje komórek nigdy się nie pokrywają, od samego początku podążają równoległymi, niezależnymi ścieżkami rozwojowymi.

Dodatkowo badania nad strukturą chromatyny, czyli sposobem upakowania DNA w jądrach komórkowych wykazały, że progenitory przodomózgowia i tyłomózgowia mają zupełnie odmienne konfiguracje genetyczne. To struktura chromatyny decyduje o tym, do których genów można łatwo uzyskać dostęp, a które są w pewien sposób schowane i pozostają poza zasięgiem. Wykryte różnice w praktyce decydują o tym, że każda z tych komórek progenitorowych jest zaprogramowana do rozwoju w jednym, ściśle określonym kierunku.

Znaczenie tego odkrycia

Odkrycie dwóch niezależnych linii rozwojowych mózgu nie tylko zmienia szkolne podręczniki, ale ma ogromne znaczenie dla badań nad chorobami dotykającymi pień mózgu, takimi jak rdzeniowy zanik mięśni (SMA) czy stwardnienie zanikowe boczne (ALS). Obie te choroby prowadzą do stopniowego zaniku funkcji neuronów tyłomózgowia, co skutkuje utratą zdolności połykania, a w zaawansowanym stadium – oddychania.

Dzięki nowym ustaleniom naukowcy po raz pierwszy byli w stanie wyhodować w laboratorium funkcjonalne neurony motoryczne tyłomózgowia z ludzkich pluripotencjalnych komórek macierzystych. Te komórki wykazywały wszystkie cechy charakterystyczne dla prawdziwych neuronów tej części mózgu, w tym zdolność do generowania potencjałów czynnościowych oraz produkcję białek typowych dla segmentów kontrolujących mięśnie twarzy i gardła. Możliwość hodowli tych komórek otwiera zupełnie nowe perspektywy dla badań nad mechanizmami powstawania i przebiegu chorób neurodegeneracyjnych, a także dla opracowywania nowych metod leczenia, w tym terapii regeneracyjnych.

„Byłem zaskoczony naszymi odkryciami”

Autorzy pracy przeprowadzili jeszcze analizę ponad 550 milionów lat ewolucyjnej historii. Odkryli ten sam wzorzec mózgu składającego się z dwóch osobnych obwodów u kurcząt, czy danio pręgowanego, ale także jelitodyszców, drobnych stworzeń zamieszkujących dno oceanu, które mają odległego wspólnego przodka z ludźmi. Z kolei meduzy, które oddzieliły się ewolucyjnie od ludzi około 600-700 milionów lat temu, mają dwa układy nerwowe na przeciwnych końcach swojego ciała.

Nasze badania sugerują, że ewolucja zdecydowała, by dwa istniejące wcześniej systemy nerwowe połączyć przestrzennie ze sobą. Mózg jako jeden narząd prawdopodobnie byłby bardziej wydajny, ale wciąż wykorzystujemy go w postaci połączonej z dwóch oddzielnych części - mówi prof. Kyle Loh. 

Byłem zaskoczony naszymi odkryciami, ponieważ słowo mózg sugeruje spójny narząd, który ma jedno pochodzenie. A jednak 500 milionów lat temu istniały osobne systemy nerwowe, które teraz działają niemal jak jeden. I to jest naprawdę niesamowite - dodaje współautor pracy, Rayyan Jokhai.