Ученые обнаружили, что человеческий мозг имеет два различных происхождения

Фото из открытых источников

Мозг — это невероятно сложный орган, и мы только начинаем понимать, как он вообще появился на свет. В статье, опубликованной в журнале Nature Neuroscience, группа американских исследователей утверждает, что мозг человека и других животных на самом деле состоит из двух взаимодействующих нейронных систем, которые начинают развиваться параллельно на самых ранних стадиях развития эмбриона.

Исследование предполагает, что различные области мозга возникают из разных типов эмбриональных клеток, известных как клетки-предшественники. Ученые обнаружили, что один тип клеток-предшественников приводит к развитию переднего и среднего мозга, в то время как другой идет совершенно иным путем, формируя задний мозг.

Своё первое открытие учёные сделали, проанализировав процесс развития мозга мышей на самой ранней эмбриональной стадии, известной как гаструляция. Затем они подтвердили, что человеческие плюрипотентные стволовые клетки также следуют этим же путям в зависимости от получаемых сигналов.

Впервые в науке им удалось добиться того, чтобы человеческие стволовые клетки развились в двигательные нейроны заднего мозга, обладающие электрической активностью и белками, характерными для этих клеток.

Клетки-предшественники, формирующие передний и средний мозг, производят специфический белок с помощью гена Otx2, в то время как клетки, которые вскоре станут клетками заднего мозга, экспрессируют ген Gbx2.

Оба типа клеток-предшественников составляют основу целого органа, которым является наш мозг, но их роли не взаимозаменяемы. Способ упаковки их ДНК также принципиально различен, с совершенно разными «ландшафтами» хроматина.

Это может объяснить, почему эксперименты по выращиванию клеток, составляющих задний мозг, в лабораторных условиях часто терпели неудачу: возможно, использовались не те строительные блоки, которым суждено стать тканью переднего мозга.

«В биологии стволовых клеток люди всегда зациклены на создании конечного типа клеток, например, нейронов… Но важно начинать с самых ранних стадий эмбрионального развития», — говорит биолог-эмбриолог Райян Джохай, соавтор статьи вместе со своей коллегой Кэролин Дандес.

«Наше пристальное внимание к этому раннему этапу позволило нам обнаружить этот фундаментальный разрыв в развитии мозга», — добавляет Джохай.

Этот аспект исследования, вероятно, ускорит изучение заболеваний, поражающих ствол головного мозга и затрагивающих самые основные функции нашего организма.

Помимо последствий для медицинских исследований, это открытие также поднимает множество вопросов об эволюционной истории мозга животных.

«Наше исследование предполагает, что в процессе эволюции две существующие нейронные системы были пространственно сближены», — говорит биолог-эмбриолог Кайл Ло, в лаборатории которого проводилось исследование. «Вероятно, было бы эффективнее, если бы мозг представлял собой единый орган, но мы полагаемся на этот первобытный способ, согласно которому мозг состоит из двух отдельных частей».

«Я был удивлен нашими результатами, потому что слово „мозг“ подразумевает единый орган, который, вероятно, имеет единое происхождение», — говорит Джохай. «Но даже 500 миллионов лет назад существовали отдельные нейронные системы, которые сейчас практически функционируют как единое целое, и это очень здорово».

Эти утверждения требуют дополнительного контекста: Ло и Джохай не имеют в виду, что нервные системы изначально были двумя отдельными органами.

Они описывают своего рода эволюционные выводы, основанные на том, как развивается мозг современных животных в процессе гаструляции.

Исследователи обнаружили, что эта сложная система головного мозга (в которой два типа клеток-предшественников взаимодействуют, образуя полноценный орган) присутствует на стадии гаструляции у эмбрионов современных мышей, макак, цыплят, рыбок данио и желудевых червей.

Все эти животные имеют общего предка на эволюционном древе жизни, и ученые предполагают, что все они отделились от этого единственного узла около 550 миллионов лет назад.

Исследование предполагает, что мозг животных, включая наш собственный, следовал этой двухэтапной схеме на протяжении сотен миллионов лет.

Однако имеющиеся на данный момент данные не позволяют нам сказать, действительно ли эти две части развивались независимо друг от друга: это вопрос для будущих исследований.