Человеческий мозг кажется единым органом, однако новое исследование показывает, что на самых ранних стадиях развития он фактически начинает формироваться сразу по двум разным путям.
Команда под руководством ученых Стэнфордского университета обнаружила, что мозг человека и других животных возникает из двух типов клеток-предшественников, которые начинают развиваться параллельно еще в первые моменты формирования эмбриона.
Один тип этих клеток дает начало переднему и среднему мозгу. Второй идет по совершенно другому пути и формирует задний мозг.
Сначала исследователи проследили этот процесс у мышей начиная с одной из самых ранних стадий эмбрионального развития — гаструляции. Затем они проверили человеческие плюрипотентные стволовые клетки и увидели ту же закономерность: в зависимости от получаемых сигналов клетки выбирали один из двух путей развития.
Исследователям также впервые удалось направить человеческие стволовые клетки по пути формирования двигательных нейронов заднего мозга. Полученные клетки демонстрировали электрическую активность и вырабатывали характерные для таких нейронов белки.
Различия между двумя исходными типами клеток оказались очень глубокими.
Клетки, из которых формируются передний и средний мозг, используют ген Otx2, тогда как будущие клетки заднего мозга связаны с активностью гена Gbx2.
Даже упаковка их ДНК организована по-разному: исследователи обнаружили совершенно различные структуры хроматина.
Именно это может объяснить, почему прежние попытки выращивать в лаборатории клетки заднего мозга часто оказывались неудачными. Возможно, ученые начинали работу с клеток-предшественников, которые изначально были предназначены для превращения в ткани передней части мозга.
Авторы работы считают, что в биологии стволовых клеток слишком много внимания обычно уделяется конечному результату — например, получению нужного типа нейрона. Однако новое исследование показывает, насколько важно понимать самые первые стадии развития эмбриона.
Именно изучение этого раннего периода позволило обнаружить фундаментальное разделение, которое раньше оставалось незамеченным.
Открытие может оказаться особенно полезным для исследований заболеваний, затрагивающих ствол мозга и связанные с ним жизненно важные функции организма.
Но результаты затрагивают не только медицину. Они заставляют иначе взглянуть и на эволюционную историю мозга.
Исследователи предполагают, что в ходе эволюции две существовавшие нейронные системы оказались пространственно объединены и теперь работают почти как одно целое.
Это не означает, что когда-то существовали два отдельных мозга. Речь идет о выводе, основанном на том, как формируется мозг современных животных на ранних стадиях эмбрионального развития.
Ученые обнаружили те же два типа клеток-предшественников у эмбрионов мыши, макаки, курицы, рыбы данио и желудевого червя.
Все эти животные происходят от общего предка, а их эволюционные линии, по оценкам ученых, разошлись примерно 550 миллионов лет назад.
Это означает, что двухчастная схема формирования мозга может существовать уже сотни миллионов лет.
При этом исследование пока не позволяет утверждать, что обе системы действительно возникли в эволюции независимо друг от друга. Чтобы ответить на этот вопрос, потребуются новые работы.
Но уже сейчас результаты показывают, что орган, который мы привыкли воспринимать как единое целое, на самом раннем этапе развития создается из двух принципиально разных клеточных систем.
Исследование опубликовано в Nature Neuroscience.
