В течение веков ученые рассматривали мозг как единый орган. Но новое исследование под руководством Стэнфордской медицины показывает, что то, что мы называем мозгом, представляет собой два различных органа, которые развивались независимо друг от друга на протяжении сотен миллионов лет.

Это открытие опровергает преобладающую модель развития мозга. На протяжении десятилетий исследователи придерживались теории о существовании единой клетки-предшественницы на ранних этапах развития, которая дает начало всему мозгу.

Эта модель предполагала, что все части мозга имеют общее происхождение в процессе развития. Новое исследование показывает, что человеческий мозг состоит из двух древних нервных систем, искусно объединенных вместе — более примитивной части, которая регулирует биение нашего сердца, дыхание и другие функции, и другой части, которая делает нас исключительно людьми, способными к поэзии, математике и размышлениям о собственном происхождении.

Это открытие может помочь объяснить, почему ученые десятилетиями безуспешно пытались вырастить определенные типы клеток мозга в лаборатории. Оно также открывает новые возможности для изучения тяжелых заболеваний, поражающих стволы мозга, таких как спинальная мышечная атрофия (также известная как СМА) и боковой амиотрофический склероз (также известный как БАС или болезнь Лу Герига).

"Мы впервые показали, что передняя часть мозга происходит из совершенно другой клетки-предшественницы, чем задняя часть мозга", — сказал Кайл Ло, доктор философии, доцент кафедры биологии развития.

"Наше открытие означает, что теперь мы можем выращивать нейроны задней части мозга, заднего мозга, в чашке Петри и изучать их функции". Результаты были опубликованы 18 сентября в журнале Nature Neuroscience. Ло выступает старшим автором работы.

Аспиранты Кэролин Дандес и Райян Джохай являются соавторами первого исследования.

Взрослый мозг имеет три основных отдела: передний, средний и задний мозг. Передний мозг отвечает за мышление высшего уровня — язык, сознание и абстрактное мышление.

В отличие от него, задний мозг, расположенный в задней части черепа и часто называемый стволом мозга, управляет жизненно важными автоматическими функциями, которые поддерживают нашу жизнь: дыханием, сном, регуляцией сердцебиения и чувством голода.

Нейроны заднего мозга также контролируют мышцы лица, языка и горла, которые влияют на речь и глотание. Несмотря на критическую важность заднего мозга, ученые десятилетиями не могли получить человеческие нейроны заднего мозга в лабораторных условиях.

Этот пробел препятствовал исследованиям тяжелых заболеваний, поражающих ствол мозга, включая спинальную мышечную атрофию и боковой амиотрофический склероз. СМА является ведущей генетической причиной смерти детей в возрасте до 1 года.

БАС, который часто диагностируется в возрасте от 40 до 70 лет, поражает как передний, так и задний мозг. При обоих расстройствах определенные нейроны заднего мозга постепенно перестают функционировать, и пациент теряет способность глотать, что может вызвать пневмонию при вдыхании пищи или жидкости в легкие; в конечном итоге пациенты теряют способность дышать.

Прорыв исследователей произошел в результате изучения самых ранних моментов эмбрионального развития, во время стадии, называемой гаструляцией, когда тело впервые принимает свою форму. Джохай и Дандес обнаружили, что задний мозг следует по отдельному пути развития, идя параллельно пути, создающему передний и средний мозг, а не ответвляясь от него.

Исследователи узнали это, изучая развивающиеся эмбрионы мышей. Они выделили две разные клетки-предшественницы мозга.

Одна из них, экспрессирующая ген Otx2, предназначена для превращения в передний и средний мозг. Другая, экспрессирующая ген Gbx2, отвечает за формирование заднего мозга.

Они показали, что эти две популяции клеток никогда не перекрываются; они взаимоисключающие с самых ранних этапов развития. Затем команда изучила упаковку ДНК, или хроматин, в этих клетках.

Хроматин — это способ, с помощью которого клетки определяют, к каким генам можно легко получить доступ, а какие спрятаны в недоступном месте. То, что они обнаружили, оказалось поразительным: передняя нервная эктодерма (будущий передний и средний мозг) и задняя нервная эктодерма (будущий задний мозг) имеют принципиально разную конфигурацию хроматина.

Эти различия по существу фиксируют каждую клетку-предшественницу в ее соответствующей судьбе, подобно путешественникам на параллельных путях, которые никогда не пересекаются.

"Предыдущие попытки создать нейроны заднего мозга, вероятно, пытались превратить предшественники переднего и среднего мозга в клетки заднего мозга, что, как показывает наше исследование, невозможно", — сказал Джохай.

Это откровение объяснило десятилетия разочарований в этой области — ученые пытались превратить один тип клеток-предшественниц в другой, которым они принципиально не способны стать.

"В биологии стволовых клеток люди всегда зациклены на создании конечного типа клеток, например нейрона", — сказал Джохай.

"Но важно начинать с самых ранних стадий эмбрионального развития. Наше пристальное внимание к этому раннему моменту времени позволило нам обнаружить этот фундаментальный раскол в развитии мозга".

Обладая этими знаниями, исследователи впервые успешно заставили плюрипотентные стволовые клетки человека (тип клеток, способных создавать любую клетку человеческого тела) превратиться в функциональные моторные нейроны заднего мозга в лабораторных условиях.

Эти выращенные в лаборатории нейроны продемонстрировали все признаки подлинных клеток заднего мозга: они демонстрировали волны электрической активности, называемые потенциалами действия, и производили белки, которые идентифицируют сегменты заднего мозга, управляющие мышцами лица и глотания.

Наконец, исследователи заглянули в прошлое на 550 миллионов лет эволюционного времени. Они обнаружили ту же модель мозга с двумя происхождениями у цыплят, рыбок данио и, что примечательно, у кишечнодышащих — крошечных существ, живущих на дне океана, которые имеют общего отдаленного предка с людьми.

Медузы, которые отделились от людей около 600–700 миллионов лет назад, имеют две нервные системы на разных концах своего тела. "Наше исследование предполагает, что эволюция взяла две существующие нервные системы и соединила их в пространстве", — сказал Ло.

"Наличие мозга как единого органа, вероятно, было бы более эффективным, но мы полагаемся на этот первобытный способ создания мозга как двух отдельных частей".

"Я был удивлен нашими результатами, потому что слово "мозг" подразумевает непрерывный орган, который, вероятно, имеет единое происхождение", — сказал Джохай.

"Но даже 500 миллионов лет назад существовали эти отдельные нервные системы, которые теперь почти функционируют как единое целое, и это очень круто".

Это исследование также имеет значение для поиска методов лечения СМА, БАС и других состояний, затрагивающих ствол мозга. До сих пор изучение этих заболеваний было практически невозможным, потому что ученые не могут получить ткань ствола мозга от живых пациентов.

Возможность выращивать эти нейроны в чашке открывает новые возможности для понимания того, что идет не так. Существует даже неожиданная связь с лечением ожирения: задний мозг содержит схемы, регулирующие голод, и именно так работают препараты для похудения, такие как семаглутид.

Исследователи хотели бы продолжить свои исследования, чтобы определить происхождение спинного мозга в процессе развития и точно узнать, как СМА и БАС нарушают функцию нейронов заднего мозга.

"Теперь у нас есть модель, позволяющая лучше понять эти тяжелые заболевания и работать над созданием регенеративной терапии для них", — сказал Джохай. "Это очень захватывающий новый рубеж в исследованиях мозга".

В исследовании приняли участие исследователи из Калифорниаского технологического института и Калифорнийского университета в Сан-Франциско. Эта работа поддержана Национальными институтами здравоохранения и другими организациями.