Исследователи обнаружили, что человеческий мозг на самом деле состоит из двух отдельных органов

Новое исследование под руководством Stanford Medicine показало, что мозг представляет собой два отдельных органа, расположенных рядом друг с другом. Это открытие может помочь в изучении тяжёлых неврологических заболеваний

На протяжении столетий учёные рассматривали мозг ^[1] как единый, целостный орган. Однако новое исследование ^[2] под руководством Stanford Medicine показывает, что то, что мы называем мозгом ^[1], на самом деле состоит из двух различных органов, которые эволюционировали независимо друг от друга на протяжении сотен миллионов лет.

Это открытие опровергает преобладающую модель развития мозга ^[1]. На протяжении десятилетий исследователи придерживались теории, согласно которой на раннем этапе развития существует единая клетка‑предшественник, из которой затем формируется весь мозг ^[1]. Эта модель предполагала, что все его части имеют общее происхождение в процессе развития.

Новое исследование показывает, что человеческий мозг ^[1] состоит из двух искусно объединённых древних нервных систем: более примитивной части, которая регулирует сердцебиение, дыхание и другие функции, и другой части, благодаря которой мы становимся в полном смысле людьми, способными писать стихи, заниматься математикой и размышлять о собственном происхождении.

Открытие может помочь объяснить, почему учёным на протяжении десятилетий с трудом удавалось выращивать в лаборатории определённые типы клеток мозга ^[1]. Кроме того, оно открывает новые возможности для изучения тяжёлых заболеваний, поражающих ствол мозга ^[1], таких как спинальная мышечная атрофия (СМА) и боковой амиотрофический склероз (БАС, также известный как болезнь Лу Герига).

«Мы впервые показали, что передняя часть мозга ^[1] возникает из совершенно другой клетки‑предшественника, чем задняя часть мозга ^[1], — сказал Кайл Ло, PhD, доцент кафедры биологии развития. — Наше открытие означает, что теперь мы можем выращивать в чашке Петри нейроны задней части мозга ^[1] и изучать их функции».

Результаты исследования были опубликованы 18 сентября в журнале Nature Neuroscience. Ло является старшим автором работы. Аспиранты Кэролин «Си» Дандес и Райян Джокхай выступили совместными первыми авторами исследования.

Два мозга

Мозг ^[1] взрослого человека состоит из трёх основных отделов: переднего, среднего и заднего мозга ^[1]. Передний мозг ^[1] отвечает за высшие мыслительные функции: язык, сознание и абстрактное мышление ^[1]. Задний мозг ^[1], напротив, расположен в задней части черепа и часто называется стволом мозга ^[1]. Он управляет жизненно важными автоматическими функциями, которые поддерживают нашу жизнь: дыханием, сном, сердцебиением и чувством голода. Нейроны заднего мозга ^[1] также контролируют мышцы лица, языка и горла, влияющие на речь и глотание.

Несмотря на критически важную роль заднего мозга ^[1], учёные на протяжении десятилетий не могли получать человеческие нейроны заднего мозга ^[1] в лаборатории. Этот пробел тормозил исследования тяжёлых заболеваний, поражающих ствол мозга ^[1], включая спинальную мышечную атрофию и боковой амиотрофический склероз.

СМА является одной из основных генетических причин смерти детей в возрасте до одного года. БАС, который часто диагностируют у людей в возрасте от 40 до 70 лет, поражает как передний, так и задний мозг ^[1]. При обоих заболеваниях определённые нейроны заднего мозга ^[1] постепенно перестают функционировать, и пациент теряет способность глотать. Это может привести к пневмонии, если пища или жидкость попадает в лёгкие. В конечном итоге больные теряют способность дышать.

Прорыв исследователей произошёл благодаря изучению самых ранних этапов эмбрионального развития, во время стадии, называемой гаструляцией ^[3], когда тело впервые начинает приобретать форму. Джокхай и Дандес обнаружили, что задний мозг ^[1] развивается по отдельному пути, который идёт параллельно пути формирования переднего и среднего мозга ^[1], а не ответвляется от него.

Исследователи выяснили это, изучая развивающиеся эмбрионы мышей. Они обнаружили два различных типа клеток‑предшественников мозга ^[1]. Один тип, в котором экспрессируется ген Otx2, впоследствии превращается в передний и средний мозг ^[1]. Другой, в котором экспрессируется ген Gbx2, предназначен для формирования заднего мозга ^[1]. Учёные показали, что эти две популяции клеток никогда не пересекаются: они взаимно исключают друг друга с самых ранних стадий развития.

Затем команда исследовала упаковку ДНК, или хроматин, в этих клетках. С помощью хроматина клетки определяют, к каким генам можно легко получить доступ, а какие упакованы таким образом, что становятся недоступными. Результат оказался поразительным: передняя нервная эктодерма, из которой впоследствии формируются передний и средний мозг ^[1], и задняя нервная эктодерма, из которой развивается задний мозг ^[1], имеют принципиально различную конфигурацию хроматина. Эти различия фактически закрепляют судьбу каждой клетки‑предшественника, словно путешественников на двух параллельных путях, которые никогда не пересекаются.

«Предыдущие попытки получить нейроны заднего мозга ^[1], вероятно, заключались в том, чтобы заставить клетки‑предшественники переднего и среднего мозга ^[1] превратиться в клетки заднего мозга ^[1]. Наше исследование показывает, что это невозможно», — сказал Джокхай.

Это открытие позволило объяснить десятилетия неудач в этой области: учёные пытались превратить один тип клеток‑предшественников в другой, хотя первый принципиально не способен в него превратиться.

«В биологии стволовых клеток люди постоянно сосредоточены на получении конечного типа клеток, например нейронов, — сказал Джокхай. — Но очень важно начинать с самых ранних стадий эмбрионального развития. Именно пристальное внимание к этому раннему этапу позволило нам обнаружить фундаментальное разделение в развитии мозга».

Выращивание нейронов заднего мозга

Вооружившись этими знаниями, исследователи впервые смогли успешно превратить человеческие плюрипотентные стволовые клетки, способные давать начало любому типу клеток человеческого организма, в функциональные двигательные нейроны заднего мозга ^[1] в лабораторных условиях.

Выращенные в лаборатории нейроны обладали всеми признаками настоящих клеток заднего мозга ^[1]: в них возникали волны электрической активности, называемые потенциалами действия, а также вырабатывались белки, характерные для тех сегментов заднего мозга ^[1], которые контролируют мышцы лица и мышцы, участвующие в глотании.

Наконец, исследователи заглянули на 550 миллионов лет назад, в историю эволюции. Они обнаружили ту же схему двойного происхождения мозга ^[1] у кур, рыб данио‑рерио и, что особенно примечательно, у желудёвых червей, небольших существ, обитающих на морском дне и имеющих с человеком далёкого общего предка. У медуз, чьи эволюционные пути с человеком разошлись примерно 600–700 миллионов лет назад, имеются две нервные системы, расположенные на разных концах тела.

«Наше исследование позволяет предположить, что в процессе эволюции две уже существовавшие нервные системы просто оказались пространственно сближены, — сказал Ло. — Вероятно, было бы эффективнее иметь мозг ^[1] как единый орган, но мы до сих пор полагаемся на этот древнейший способ формирования мозга ^[1] из двух отдельных частей».

«Результаты меня удивили, потому что слово „мозг“ подразумевает единый непрерывный орган, который, казалось бы, должен иметь единое происхождение, — сказал Джокхай. — Но даже 500 миллионов лет назад существовали эти отдельные нервные системы, которые теперь функционируют почти как одно целое. Это очень интересно».

Исследование также может иметь значение для поиска методов лечения СМА, БАС и других заболеваний, поражающих ствол мозга ^[1]. До сих пор изучать эти болезни было крайне сложно, поскольку учёные не могут получать ткани ствола мозга ^[1] у живых пациентов. Возможность выращивать такие нейроны в лаборатории открывает новые перспективы для понимания того, что именно нарушается при этих заболеваниях.

Есть и неожиданная связь с лечением ожирения: в заднем мозге ^[1] находятся нервные цепи, регулирующие чувство голода, а именно на них воздействуют препараты для снижения веса, такие как семаглутид.

В дальнейшем исследователи хотят выяснить происхождение спинного мозга ^[1] в процессе развития, а также установить, каким именно образом СМА и БАС нарушают работу нейронов заднего мозга ^[1].

«Теперь у нас есть модель, которая позволит лучше понять эти разрушительные заболевания и работать над созданием регенеративных методов их лечения, — сказал Джокхай. — Это очень интересное новое направление в исследованиях мозга».

«Я надеюсь, что наша работа вдохновит будущих учёных заниматься биологией развития, — сказала Дандес. — Трудно представить что‑то более увлекательное, чем разгадать ещё одну небольшую тайну происхождения нашего мозга ^[1]. А в устройстве нашей центральной нервной системы остаётся ещё огромное количество крупных и мелких деталей, которые только предстоит открыть».

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