Вопреки последним новостям, у вас вовсе не два мозга

Неудачный пресс-релиз стал отличным поводом погрузиться в фундаментальные механизмы биологии развития

В конце прошлой недели в сети стали мелькать заголовки о том, что свежее научное исследование якобы доказывает: у человека присутствует не один мозг, видимый на томограммах, а целых два. Как это часто случается, корни этих слухов уходят в единственный пресс-релиз пресс-службы вуза, где выполнялась эта работа. Разумеется, никаких двух мозгов у вас нет — это лишь крайне вольная трактовка выводов новой публикации.

Тем не менее, за этими данными стоят куда более глубокие и интересные вещи. Они проливают свет на механизмы формирования центральной нервной системы и наглядным образом демонстрируют базовые принципы биологии развития. Давайте детально разберем суть научной работы и впишем ее выводы в общий контекст эмбриогенеза мозга.

Где ваше место?

Нам привычно мыслить сегментами тела применительно к членистоногим — ракообразным или насекомым. Однако наша нервная система тоже строится по сегментарному принципу. У позвоночных животных выделяют четыре главных отдела: передний, средний, задний и спинной мозг. Некоторые из них в дальнейшем подразделяются на более мелкие компартменты, но пока мы опустим эти детали. Главный вопрос, на который отвечает новое исследование — откуда вообще берутся эти анатомические регионы?

Подобные задачи составляют фундамент биологии развития — науки, которая исследует, как из одной-единственной клетки благодаря четкой хореографии и строгой временной координации процессов вырастают все ткани и органы взрослого организма.

Для понимания картины необходим небольшой экскурс в эмбриологию. К моменту зарождения будущих нейронов зародыш позвоночного уже четко ориентирован в пространстве: у него заданы оси «голова — хвост» и «спина — живот». Опустим детали того, как именно эмбрион определяет эти координаты, хотя биология знает об этом многое. В этот момент зародыш состоит из трех зародышевых листков: энтодермы (из нее образуется выстилка кишечника), мезодермы (источник мышечной и костной ткани) и эктодермы, которая в перспективе дает начало кожным покровам.

Нервная система зарождается как продольное укоренение эктодермы, тянущееся по центральной оси от головного конца к хвостовому. Центральная зона этого утолщенного пласта плотно упакованных клеток прогибается внутрь, а боковые края приподнимаются, смываясь в замкнутую трубку, которая обособляется от остальной эктодермы. Любой нервный импульс, пробегающий по вашему позвоночнику, каждое зрительное или звуковое впечатление, любая мысль и эмоция обязаны своим существованием потомкам именно этих клеток.

Хотя описанная схема универсальна для всех позвоночных, на практике существуют нюансы. У мышиных эмбрионов нейрогенез стартует практически одновременно по всей оси «голова — хвост». У куриных зародышей этот процесс запускается в головном отделе и постепенно продвигается к хвосту: структуры мозга формируются тогда, когда клетки будущего спинного мозга еще «не подозревают» о своей нейронной судьбе. У головастиков же сначала строится примитивный спиной мозг, который в ходе метаморфоза перестраивается в полноценную лягушачью нервную систему. Иными словами, базовая стратегия общая, но виды адаптировали ее под собственные эволюционные нужды.

На первый взгляд, все только что родившиеся нервные клетки выглядят идентично. И это подводит нас к изначальному вопросу: как именно они разделяются на функциональные зоны?

Поскольку к моменту их появления эмбрион уже обладает разметкой «голова-хвост», возможны два сценария. Либо эктодермальные клетки-предшественники уже «помнят» свое географическое положение и передают эту информацию нейронам, либо уже после дифференцировки соседние не-нервные ткани начинают посылать им позиционные сигналы. Если передний конец выделяет один коктейль молекул, а хвостовой — другой, развивающаяся нервная система получает четкие ориентиры.

Деление мозга

Новое исследование опирается на многолетние изыскания в области ранних генных регуляторов. Ранее было выявлено, что в эктодерме раннего эмбриона работают два специфических гена — один активен в передней половине, другой в задней. Выходило, что будущие нейроны действительно могут наследовать часть пространственной информации от материнского эктодермального слоя.

Главная хитрость авторов свежей работы заключалась в том, что они связали экспрессию этих генов с флуоресцентными метками. У генетически модифицированных мышей передняя половина эктодермы светилась голубым светом, а задняя — красным. Эти цвета успешно передавались по наследству при образовании нервной ткани и формировании отделов мозга.

Эксперимент показал, что задний мозг отчетливо светился красным, в то время как остальные мозговые структуры были окрашены в голубой. Выходит, унаследованная позиционная информация задает одну из важнейших границ в анатомии мозга. Иными словами, как только клетка становится нейроном, она уже «знает», суждено ли ей войти в задний отдел или остаться в переднем/среднем. Именно из этого факта создатели пресс-релиза и вывели свою абсурдную идею про «два мозга».

Дальнейшие эксперименты закрепили результат. Маркируя единичные клетки ранней эктодермы флуоресцентными метками, ученые выяснили, что в 96% случаев клеточные потомки сохраняли принадлежность либо строго к заднему мозгу, либо к среднему с передним.

Аналогичные эксперименты с плюрипотентными стволовыми клетками человека подтвердили эту закономерность: адресные химические сигналы кодируют их пространственное положение, а дочерние нейроны бережно проносят эту память через деления. Желая получить нейроны заднего мозга, в первую очередь необходимо запрограммировать стволовые клетки в соответствующем ключе.

Разумеется, абсолютной жесткости здесь нет: показатель в 96% оставляет зазор для клеточной пластичности. Пока не до конца понятно, обусловлено ли это погрешностями модели или пограничные клетки способны менять судьбу при небольшом смещении. Эмбриогенез протекает стремительно, и временные интервалы включения генов-меток требуют дальнейшего изучения.

Куда больше белых пятен остается на границах других отделов. Разделение среднего и переднего мозга происходит позже и управляется в основном диффузными сигнальными молекулами, которые разносятся по тканям зародыша.

Механизмы обособления заднего мозга от спинного изучены еще слабее. В свежей публикации на этот счет приводится лишь одна отсылка, согласно которой их пути расходятся тоже на ранних этапах, однако здесь науке предстоит колоссальный объем работы.

Почему это имеет фундаментальное значение?

Очевидно, что различные сегменты центральной нервной системы трансформируются в уникальные структуры с принципиально разным функционалом. Раннее самоопределение клеток критически важно для того, чтобы в дальнейшем они развивались по столь непохожим траекториям.

Здесь играют роль два фактора. Первый заключается в том, что ранняя специализация позволяет клеткам по-разному реагировать на абсолютно одинаковые химические сигналы. К примеру, на этапе нервной трубки почти весь ее массив подвергается воздействию всего двух типов морфогенов: белок Sonic hedgehog выделяется снизу, а семейство BMP поступает сверху.

Логично было бы предположить, что однотипные клетки-предшественники ответят на них одинаково. Но это не так. Исходная принадлежность к конкретному сегменту заставляет их запускать вариативные цепочки реакций. Клетки среднего мозга при встрече с молекулами BMP выдают совершенно иной ответ, нежели клетки спинного мозга.

Благодаря ранней сегрегации нервная ткань обретает багаж «биографии развития», позволяющий скудному набору сигнальных путей порождать колоссальное структурное разнообразие.

Такой подход избавляет эволюцию от необходимости изобретать новые регуляторные каскады под каждую новую задачу — одни и те же сигналы используются многократно. Сперва те же BMP указывают клеткам стать нейронами, чуть позже — определяют их зрелую специализацию, а на финальных стадиях руководят миграцией готовых клеток в спинном мозге.

Второй фактор заключается в том, что межсегментные границы сами по себе служат уникальной микросредой, где ткани испытывают комбинированное влияние соседних зон. В частности, на стыке среднего и заднего отделов активируется особая батарея генов, включая сигнальные молекулы, которые управляют развитием прилежащих тканей.

Как и следовало ожидать, из-за различий в «родословной» клетки по обе стороны этой границы реагируют на пограничные сигналы по-своему.

Подводя итог: количество мозгов у вас абсолютно нормальное — он один, просто состоит из множества тонко настроенных регионов. Тем не менее, данное исследование элегантно дополняет наше понимание того, как из плоского пласта клеток, готовых стать кожей, формируется умопомрачительная сложность человеческого разума.

Вдобавок эта работа служит отличной иллюстрацией того, как устроена биология развития и какие изящные инструменты помогают нашему собственному мозгу — в единственном числе — разбираться в истоках собственного происхождения.

 

Источник