Стэнфордское исследование: мозг может состоять из двух древних, независимо развивавшихся нервных систем

Ученые Стэнфордской медицины заявляют, что то, что мы привычно называем «мозгом», на самом деле может состоять из двух древних нервных систем, которые эволюционировали независимо сотни миллионов лет.

Это противоречит доминирующей модели эмбрионального развития, согласно которой весь мозг происходит от одной клеточной популяции‑предшественника. Ранее считалось, что передний, средний и задний мозг имеют общее происхождение и развиваются из одной исходной клетки.

Новое исследование показывает, что передняя часть мозга — та, что отвечает за речь, абстрактное мышление и сознание — и более примитивная задняя часть мозга, контролирующая дыхание, сердечный ритм и другие автоматические функции, имеют разные истоки и шли по разным путям развития.

Авторы отмечают, что это открытие объясняет, почему десятилетиями не удавалось в лаборатории получить некоторые типы нейронов заднего мозга, и открывает новые возможности для изучения заболеваний ствола мозга, таких как спинальная мышечная атрофия (СМА) и боковой амиотрофический склероз (БАС).

«Мы впервые показали, что передняя часть мозга возникает из совершенно другой клетки‑предшественника, чем задняя часть мозга. Наше открытие означает, что теперь мы можем выращивать нейроны заднего мозга в чашке Петри и изучать их функции», — сказал Кайл Ло, доктор философии, доцент кафедры биологии развития Стэнфордской медицины.

Кайл Ло, доктор философии, доцент кафедры биологии развития, Стэнфордская медицина

Результаты будут опубликованы в Nature Neuroscience 18 сентября. Ло — старший автор. Аспиранты Кэролин Дандес и Райан Джохай являются соавторами исследования.

Два мозга

Анатомически у взрослого человека выделяют три основные области мозга: передний мозг, средний мозг и задний мозг. Передний мозг обеспечивает высшие когнитивные функции — речь, сознание, абстрактное мышление. Задний мозг, или ствол мозга, расположен в задней части черепа и отвечает за автоматические жизненно важные процессы: дыхание, сон, сердечный ритм и регуляцию голода. Нейроны заднего мозга также управляют мышцами лица, языка и глотки, что влияет на речь и глотание.

Несмотря на важность заднего мозга, биологи долгое время не могли надёжно получать человеческие нейроны этой области в лабораторных условиях, что ограничивало изучение заболеваний ствола мозга.

СМА является ведущей генетической причиной смерти детей в возрасте до одного года. БАС, который чаще диагностируют в 40–70 лет, поражает как переднюю, так и заднюю части мозга. При обоих заболеваниях определённые нейроны заднего мозга постепенно утрачивают функцию: пациенты теряют способность глотать (что повышает риск аспирационной пневмонии) и в итоге — способность дышать.

Ключ к прорыву учёные нашли, изучая самые ранние этапы эмбрионального развития — стадию гаструляции, когда тело зарождается и устанавливаются основные оси. Джохай и Дандес обнаружили, что задний мозг развивается по отдельной траектории, параллельной, а не как ветвь от пути, который формирует передний и средний мозг.

В экспериментах на развивающихся эмбрионах мышей исследователи выделили две разные клетки‑предшественницы: одна экспрессирует ген Otx2 и даёт начало переднему и среднему мозгу, другая экспрессирует ген Gbx2 и формирует задний мозг. Эти две популяции не перекрываются и уже на ранних стадиях развития являются взаимоисключающими.

Далее учёные проанализировали упаковку ДНК — хроматин — в этих клетках. Хроматин определяет, какие гены доступны для считывания, а какие остаются «запертыми». Передняя нейральная эктодерма (будущий передний и средний мозг) и задняя нейральная эктодерма (будущий задний мозг) оказались принципиально разными по конфигурации хроматина. Эти отличия «запирают» каждую клетку‑предшественницу в её судьбе, как путников на параллельных путях, которые не пересекаются.

«Предыдущие попытки создать нейроны заднего мозга, вероятно, пытались уговорить предшественников переднего и среднего мозга стать клетками заднего мозга, чего, как показывает наше исследование, принципиально нельзя сделать», — отметил Джохай.

Это объясняет десятилетия неудач в области: учёные пытались трансформировать один тип предшественников в другой, на что биологически эти клетки не способны.

Авторы подчёркивают, что важно начинать преобразования с самых ранних стадий эмбрионального развития. В лаборатории выращенные нейроны заднего мозга продемонстрировали все характерные признаки: они генерировали электрические сигналы — потенциалы действия — и синтезировали белки, характерные для сегментов заднего мозга, управляющих мышцами лица и глотания.

Команда также проанализировала древнюю эволюцию: аналогичная двухисточниковая структура наблюдается у кур, данио‑рыбок и даже у простых морских червей — организмов, отделившихся от линии, ведущей к человеку, сотни миллионов лет назад. У медуз, отделившихся примерно 600–700 млн лет назад, есть две нервные системы на разных концах тела.

«Наши данные указывают, что эволюция объединила две уже существовавшие нервные системы в пространстве. Хотя иметь единый орган было бы, возможно, удобнее, в эволюционном плане мозг сохранил этот древний способ организации в две части», — сказал Ло.

«Меня поразило это открытие, потому что само слово „мозг“ предполагает единый орган с единым происхождением», — добавил Джохай. «Однако даже 500 миллионов лет назад уже существовали отдельные нервные системы, которые затем начали работать почти как единое целое».

Работа имеет практическое значение для изучения и лечения заболеваний ствола мозга. Ранее исследование СМА и БАС было затруднено из‑за невозможности получать ткани ствола мозга от живых пациентов; теперь возможность выращивать нейроны заднего мозга в чашке открывает новые подходы для изучения механизмов болезни и тестирования терапий. Авторы также отмечают связь с лечением ожирения: в заднем мозге есть цепи, регулирующие аппетит — через них действуют препараты для снижения веса, такие как семаглутид.

Дальнейшие планы команды включают определение происхождения спинного мозга и выяснение, как именно СМА и БАС нарушают функцию нейронов заднего мозга.

«Теперь у нас есть модель, которая поможет лучше понять эти разрушительные заболевания и работать над регенеративными подходами и терапиями», — сказал Джохай. «Это новый и очень перспективный рубеж в исследованиях мозга».

В исследовании также участвовали учёные из Калифорнийского технологического института и Калифорнийского университета в Сан‑Франциско.

Работу поддержали Национальные институты здравоохранения (гранты DP5OD024558, DP2GM146258, R00GM121852, R01DK115728, R01DE027538, T32GM119995, T32GM007365, T32GM007790 и F31DE031154); Национальный научный фонд; Калифорнийский институт регенеративной медицины; Фонд спинальной мышечной атрофии; грант Стэнфордского института здоровья матери и ребёнка; Стэнфордские центры Бекмана и Людвига; Институт стволовых клеток Зибеля; грант Фонда Стайнхарта‑Рида; Благотворительный фонд Гэтсби; Медицинский институт Говарда Хьюза; Фонд Паккарда; благотворительные фонды Пью; Фонд Бакстера; Программа человеческих передовых наук; а также анонимные семьи Фикель, Гилберт и Стайнхарт‑Рид.