Ученые выяснили, что человеческий мозг состоит из двух отдельных органов

Новый научный труд под эгидой Stanford Medicine демонстрирует, что человеческий мозг фактически представляет собой слияние двух самостоятельных анатомических структур. Данное озарение способно кардинально продвинуть терапию тяжелейших нейродегенеративных патологий

Веками академическое сообщество воспринимало центральный орган нервной системы как монолитный конгломерат. Тем не менее, актуальная научная публикация доказывает: то, к чему мы привыкли относиться как к единому целому, на самом деле образовано двумя автономными структурами, развивавшимися обособленно на протяжении сотен миллионов лет.

Эта концепция полностью пересматривает устоявшиеся взгляды на онтогенез мозга. Десятилетиями доминировала гипотеза о существовании универсальной исходной клетки-предшественника, которая дает начало всей мозговой ткани, что подразумевало монофилетическое происхождение всех его отделов.

Свежие данные свидетельствуют: наш мозг собран из двух искусно интегрированных древних нервных контуров. Один из них отвечает за базовую физиологию — дыхание и ритм сердца, в то время как второй наделяет нас высшими когнитивными способностями, позволяя создавать поэтические произведения, оперировать сложными математическими абстракциями и рефлексировать над собственным бытием.

Подобный прорыв проливает свет на давнюю загадку: почему биоинженерам долгие годы не удавалось культивировать in vitro определенные клеточные линии мозга. Более того, открываются принципиально новые горизонты для борьбы с неизлечимыми недугами ствола мозга, включая спинальную мышечную атрофию (СМА) и боковой амиотрофический склероз (БАС, или патологию Лу Герига).

«Нам впервые удалось доказать, что передний отдел мозга берет начало из совершенно иной группы клеток-предшественников по сравнению с задним, — подчеркивает доктор Кайл Ло, адъюнкт-профессор биологии развития. — Полученные результаты снимают преграды для лабораторного выращивания нейронов заднего мозга с целью их детального изучения».

Итоги работы были обнародованы 18 сентября на страницах Nature Neuroscience. Доктор Ло выступил главным куратором проекта, а роли ведущих соавторов разделили аспиранты Кэролин «Си» Дандес и Райян Джокхай.

Двойственная природа мозга

Анатомия взрослого человека выделяет три ключевых сегмента: передний, средний и задний мозг. Передний ареал ведает высшей нервной деятельностью, сознанием и речью. Задний же отдел, охватывающий ствол, координирует бессознательные жизненные процессы: терморегуляцию, сон, пищевое поведение и дыхание, а также иннервирует мускулатуру лица, гортани и языка, обеспечивая артикуляцию и глотание.

Несмотря на колоссальную значимость заднего мозга, науке долгое время не удавалось синтезировать его нейроны в искусственной среде. Такой технологический тупик существенно тормозил прогресс в фармакотерапии тяжелейших патологий ствола.

Так, СМА выступает ведущим генетическим фактором младенческой смертности. БАС, поражающий преимущественно пациентов среднего и пожилого возраста, затрагивает оба мозговых домена. При обеих болезнях деградация нейронов заднего мозга приводит к дисфагии (потере способности глотать), что грозит аспирационной пневмонией и неизбежной остановкой дыхания.

Прорыв стал возможен благодаря пристальному вниманию к начальным этапам эмбриогенеза — в частности, к гаструляции, когда закладывается базовый план строения тела. Джокхай и Дандес выявили, что формирование заднего мозга идет по автономной траектории, протекающей параллельно с развитием передне-среднего комплекса, а не ответвляясь от него.

К таким выводам исследователи пришли, анализируя эмбрионы лабораторных мышей. Было зафиксировано два отчетливых пула клеток-предшественников. Первый, экспрессирующий маркерный ген Otx2, трансформируется в передние и средние зоны. Второй, маркированный геном Gbx2, запрограммирован исключительно на построение заднего мозга. Эксперименты подтвердили: эти клеточные популяции абсолютно взаимоисключающие и не пересекаются с момента зарождения.

Дальнейший анализ архитектуры хроматина продемонстрировал разительные отличия. Хроматин определяет доступность генетического аппарата для считывания. Выяснилось, что передняя и задняя нервные эктодермы обладают диаметрально противоположной конфигурацией хроматина. Данная эпигенетическая разметка предопределяет судьбу клеток необратимо, словно пуская их по двум вечно расходящимся рельсам.

«Прежние попытки получить нужные нейроны сводились к безуспешным попыткам перепрограммировать предшественники переднего мозга в задние, — поясняет Джокхай. — Наш труд объясняет, почему это физиологически нереализуемо».

Полученные сведения разрешают многолетние противоречия: ученые пытались трансформировать один клеточный тип в другой, игнорируя фундаментальную генетическую запрограммированность.

«В сфере стволовых клеток фокус обычно смещен на конечный результат — дифференцированные нейроны, — констатирует Джокхай. — Однако отправная точка эмбриогенеза критически важна. Именно фокус на ранних стадиях вскрыл этот глубокий эволюционный водораздел».

Культивация нейронов ствола мозга

Опираясь на открытые закономерности, эксперты впервые смогли трансформировать плюрипотентные стволовые клетки человека в жизнеспособные мотонейроны заднего мозга в лабораторных условиях.

Полученные клеточные культуры обладали всеми функциональными мартерами: генерировали электрические импульсы (потенциалы действия) и синтезировали специфические белковые соединения, характерные для стволовых структур, управляющих мимикой и глотательным рефлексом.

Обратившись к филогенетическому анализу, биологи обнаружили аналогичную дуалистическую схему у птиц, костистых рыб и даже у полухордовых — желудевых червей, обитающих на морском дне и имеющих с человечеством далекого общего предка. А у медуз, чья ветвь отделилась от нашей линии 600–700 миллионов лет назад, нервная система изначально представлена двумя разрозненными контурами.

«Наши изыскания доказывают, что эволюция просто объединила в пространстве две уже функционировавшие нервные системы, — резюмирует Ло. — Наверное, с точки зрения инженерии было бы рациональнее иметь единый орган, но природа сохранила этот древний симбиоз из двух половин».

«Результаты поражают воображение, ведь лексема „мозг“ подразумевает целостную непрерывную субстанцию, — делится впечатлениями Джокхай. — Тем не менее, полмиллиарда лет назад существовали две независимые сети, которые сегодня слаженно работают как единое целое».

Открытие открывает прямой путь к созданию терапевтических стратегий против СМА, БАС и прочих тяжелых патологий. Ранее изучение этих хворей стопорилось из-за невозможности биопсии ствола мозга у живых пациентов. Теперь же клеточные модели in vitro позволят детально отслеживать патогенез на молекулярном уровне.

Любопытно, что новые данные могут оказать влияние и на фармакологию ожирения: центры насыщения локализованы как раз в заднем мозге, и именно на них нацелены современные антидиабетические препараты вроде семаглутида.

В перспективе научная группа намерена проследить эмбриогенез спинного мозга и детально расшифровать механизмы деструкции нейронов при БАС и СМА.

«В нашем распоряжении появилась модель, приближающая нас к созданию регенеративных методик лечения этих трагических болезней, — уверен Джокхай. — Это передовой рубеж нейробиологии».

«Хотелось бы верить, что наша работа вдохновит новое поколение исследователей заняться биологией развития, — резюмирует Дандес. — Едва ли можно найти что-то более захватывающее, чем разгадка эволюционных тайн нашего разума. Центральная нервная система хранит еще бесчисленное множество загадок, ждущих своего часа».

В реализации проекта также принимали активное участие научные сотрудники Калтеха (Caltech) и Калифорнийского университета в Сан-Франциско.

 

Источник