Mózg jest jednym narządem, ale jego poszczególne części mogą nie mieć wspólnego początku rozwojowego. Naukowcy ze Stanford Medicine wykazali, że przodomózgowie i śródmózgowie oraz tyłomózgowie powstają z dwóch odrębnych populacji komórek progenitorowych. Zdaniem badaczy mózg można więc postrzegać jako narząd złożony z dwóch ewolucyjnie starych systemów nerwowych, które podczas rozwoju powstają równolegle. Odkrycie może mieć znaczenie m.in. dla badań nad rdzeniowym zanikiem mięśni (SMA) i stwardnieniem zanikowym bocznym (SLA). Wyniki opublikowano w „Nature Neuroscience”.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Dlaczego naukowcy ze Stanford Medicine wskazują na dwa odrębne początki rozwojowe mózgu i co w praktyce oznacza określenie „dwa mózgi”.
- Jakie są dwie populacje komórek progenitorowych związane z genami Otx2 i Gbx2, z których powstają odpowiednio przodomózgowie i śródmózgowie oraz tyłomózgowie.
- Jak odkrycie pozwoliło wyhodować w laboratorium funkcjonalne neurony ruchowe tyłomózgowia z ludzkich pluripotentnych komórek macierzystych.
- Jak nowe modele neuronów tyłomózgowia mogą wspierać badania nad SMA i SLA oraz dlaczego odkryty podział może mieć ponad 550 mln lat.
Mózg może powstawać z dwóch odrębnych źródeł
Przez lata jeden z modeli rozwoju mózgu zakładał, że jego poszczególne obszary wywodzą się ze wspólnej populacji komórek progenitorowych. Nowe badanie zespołu Stanford Medicine wskazuje jednak na bardziej złożony mechanizm. Naukowcy wykazali, że przednia i tylna część rozwijającego się mózgu mają odrębne pochodzenie komórkowe. Jedna populacja progenitorów daje początek przodomózgowiu i śródmózgowiu, natomiast druga – tyłomózgowiu.
Po raz pierwszy wykazaliśmy, że przednia część mózgu powstaje z zupełnie innej komórki progenitorowej niż tylna część mózgu – powiedział dr Kyle Loh, profesor nadzwyczajny biologii rozwojowej i starszy autor badania.
Odkrycie nie oznacza oczywiście, że dorosły człowiek ma dwa anatomicznie oddzielne mózgi. Badacze proponują natomiast spojrzenie na mózg jako na narząd złożony z dwóch części o odmiennym pochodzeniu rozwojowym.
Przodomózgowie i tyłomózgowie mają różne zadania
Dorosły mózg można podzielić na trzy główne obszary: przodomózgowie, śródmózgowie i tyłomózgowie. Pierwszy z nich uczestniczy w procesach związanych m.in. z językiem, świadomością i rozumowaniem abstrakcyjnym. Tyłomózgowie odpowiada natomiast za wiele podstawowych funkcji niezbędnych do życia. Jego struktury uczestniczą w regulacji oddychania, snu, pracy serca i apetytu. Znajdujące się tam neurony kontrolują również mięśnie twarzy, języka i gardła, a tym samym wpływają na mowę oraz połykanie. Właśnie neurony tego obszaru były dotychczas szczególnie trudne do uzyskania z ludzkich pluripotentnych komórek macierzystych w warunkach laboratoryjnych.
Otx2 i Gbx2 ujawniły dwie ścieżki rozwoju mózgu
Kluczowych informacji dostarczyła analiza jednego z najwcześniejszych etapów rozwoju zarodkowego – gastrulacji. Badając rozwijające się zarodki myszy, naukowcy zidentyfikowali dwie populacje komórek progenitorowych. Pierwsza wykazuje ekspresję genu Otx2 i prowadzi do powstania przodomózgowia oraz śródmózgowia. Druga, związana z ekspresją Gbx2, tworzy tyłomózgowie. Populacje te pozostawały rozdzielone już na bardzo wczesnym etapie rozwoju.
Co więcej, analiza chromatyny wykazała, że przednia i tylna ektoderma nerwowa mają odmienne konfiguracje regulacyjne. Oznacza to, że komórki są wcześnie ukierunkowywane na rozwój w stronę określonych części mózgu. Może to wyjaśniać, dlaczego wcześniejsze próby laboratoryjnego uzyskiwania neuronów tyłomózgowia często kończyły się niepowodzeniem – badacze mogli próbować skierować komórki przeznaczone do tworzenia przednich struktur mózgu na ścieżkę, której nie były zdolne prawidłowo zrealizować.
Naukowcy wyhodowali neurony tyłomózgowia
Wykorzystując wiedzę o dwóch odrębnych liniach rozwojowych, zespół zdołał skierować ludzkie pluripotentne komórki macierzyste w stronę funkcjonalnych neuronów ruchowych tyłomózgowia. Uzyskane komórki wykazywały charakterystyczne cechy neuronów tego obszaru, w tym aktywność elektryczną w postaci potencjałów czynnościowych. Wytwarzały również białka związane z segmentami tyłomózgowia kontrolującymi m.in. mięśnie twarzy oraz proces połykania.
To istotny krok, ponieważ dostęp do żywej ludzkiej tkanki pnia mózgu jest bardzo ograniczony. Możliwość wytwarzania odpowiednich neuronów z komórek macierzystych może więc pozwolić na tworzenie nowych modeli chorób.
Nowe możliwości badań nad SMA i SLA
Odkrycie może mieć szczególne znaczenie dla badań nad chorobami uszkadzającymi neurony związane z funkcjonowaniem pnia mózgu, w tym rdzeniowym zanikiem mięśni (SMA) oraz stwardnieniem zanikowym bocznym (SLA). W przebiegu tych chorób zaburzenia funkcji określonych neuronów mogą prowadzić do problemów z połykaniem i oddychaniem. Laboratoryjne modele neuronów tyłomózgowia mogą ułatwić analizowanie mechanizmów prowadzących do ich degeneracji, a w przyszłości również testowanie potencjalnych metod leczenia.
Znaczenie tyłomózgowia wykracza przy tym poza choroby neuronu ruchowego. Znajdują się w nim również obwody uczestniczące w regulacji apetytu, na które oddziałują m.in. terapie oparte na agonistach receptora GLP-1.
Podział może mieć ponad 550 mln lat
Naukowcy sprawdzili również, jak daleko w historii ewolucyjnej można odnaleźć podobny sposób organizacji układu nerwowego. Analizy objęły m.in. kury, danio pręgowanego i żołędziowce. Według autorów dwie odrębne linie rozwojowe mogą być zachowane od około 550 mln lat. Badacze zwracają także uwagę na meduzy, które posiadają układy nerwowe rozmieszczone w różnych częściach ciała.
Nasze badania sugerują, że ewolucja wzięła dwa istniejące układy nerwowe i połączyła je przestrzennie – powiedział Loh.
Hipoteza zespołu zakłada więc, że w toku ewolucji dwa starsze systemy neuronalne zostały przestrzennie połączone, tworząc strukturę, którą obecnie postrzegamy jako jeden mózg.
Czy człowiek rzeczywiście ma „dwa mózgi”?
Sformułowanie to wymaga ostrożności. Badanie nie dowodzi, że mózg dorosłego człowieka jest dosłownie zbudowany z dwóch niezależnych narządów. Wskazuje natomiast, że jego przednia i tylna część mogą mieć dwa odrębne początki rozwojowe, a ich komórki progenitorowe wcześnie podążają różnymi ścieżkami. To ważna zmiana perspektywy w biologii rozwoju mózgu. Jednocześnie wyniki mogą mieć praktyczne znaczenie dla medycyny regeneracyjnej i tworzenia modeli chorób neurologicznych.
Nowy kierunek badań nad rozwojem mózgu
Zespół chce teraz ustalić, jakie jest rozwojowe pochodzenie rdzenia kręgowego oraz dokładniej zbadać mechanizmy, przez które SMA i SLA zaburzają funkcjonowanie neuronów tyłomózgowia. Nowa koncepcja pokazuje, że struktura, która u dorosłego człowieka funkcjonuje jako zintegrowana całość, może powstawać z dwóch bardzo wcześnie rozdzielonych linii komórkowych. Co równie istotne, poznanie tej różnicy umożliwiło naukowcom uzyskanie w laboratorium komórek, które dotychczas były wyjątkowo trudne do wytworzenia.
Główne wnioski
- Naukowcy ze Stanford Medicine wykazali, że przednia i tylna część mózgu wywodzą się z dwóch odrębnych populacji komórek progenitorowych, które są rozdzielone już na bardzo wczesnym etapie rozwoju zarodkowego.
- Komórki wykazujące ekspresję genu Otx2 dają początek przodomózgowiu i śródmózgowiu, natomiast komórki związane z Gbx2 tworzą tyłomózgowie. Populacje te różnią się również organizacją chromatyny.
- Wykorzystując tę wiedzę, badacze uzyskali z ludzkich pluripotentnych komórek macierzystych funkcjonalne neurony ruchowe tyłomózgowia, co może ułatwić tworzenie modeli m.in. rdzeniowego zaniku mięśni (SMA) i stwardnienia zanikowego bocznego (SLA).
- Analizy ewolucyjne sugerują, że podział na dwa odrębne systemy rozwojowe może sięgać około 550 mln lat. Nie oznacza to jednak, że człowiek ma dwa anatomicznie oddzielne mózgi – chodzi o dwa różne początki rozwojowe struktur tworzących jeden zintegrowany narząd.
Źródło:
- https://www.nature.com/articles/s41593-026-02433-7
- Stanford University Medical Center
