Dviejų smegenų kilmė: priekinės ir užpakalinės sistemos

Paprasta laboratorinė mįslė atvėrė didelę istoriją apie mūsų kilmę. Stanfordo mokslininkai bandė auginti smegenų kamieno kamienines ląsteles Petri lėkštelėse ir susidūrė su atkaklia tiesa: ląstelės, skirtos užpakalinėms smegenims, atsisakė elgtis taip, kaip elgėsi priekinės smegenų protėvės. Viena dauginosi sklandžiai. Kita atsilikdavo, priešinosi ir galiausiai atskleidė gilesnę paslaptį apie smegenų architektūrą ir evoliuciją.

Atskira pradžia, nulemta ankstyvame vystymosi etape

Atidus embrionų stebėjimas gastruliacijos metu, kai nusibrėžia pagrindinis kūno planas, parodė, kad beveik nuo pat pradžių atsiskiria dvi atskiros ląstelių grupės. Vietoj to, kad abi kilusios iš vienos undiferencijuotos tėvinės populiacijos, būsimos priekinės ir užpakalinės smegenų sritys siejamos su skirtingomis ląstelinių linijų kilmėmis. Genetiniai ir epigenetiniai žymenys šioms dviem populiacijoms yra susipakuoti skirtingai, nukreipdami jas nepaklūstančiais vystymosi keliais.

Paprastai tariant, viena ląstelių grupė yra programuota kurti priekinę smegenų dalį, o kita grupė yra įsipareigojusi užpakalinėms smegenims. Šie programiniai nustatymai nėra tik pageidavimas. Tai molekulinės kelio žemėlapiai, įrašyti į chromatiną ir genų raiškos tinklus, kurie be susikirtimų nukreipia ląstelės likimą. Tokia schema paaiškina laboratorinį galvosūkį: protokolai, optimizuoti priekinės smegenų kamieninėms ląstelėms, neprivers užpakalinių protėvių veikti, nes pastarosios turi atskirus reguliacinius nurodymus.

Kodėl ši senovinė sandara svarbi šiandien

Evoliuciniai tyrėjai tada žvelgė dar giliau į praeitį. Panašios porinės nervų sistemos aptinkamos tolimuose giminaičiuose, pavyzdžiui, akorniniuose kirminuose, jūrų gyvūnuose, kurie turi labai senovinį bendrą protėvį su stuburiniais. Išvada yra stulbinanti: dviejų dalių neurono architektūros planas greičiausiai siekia bent pusę milijardo metų. Bėgant laikui šios atskiros sistemos persikėlė į vieną, integruotą organą, tačiau pirminės dvikilmes kilmės pėdsakai išlieka mūsų ląstelėse.

Funkciškai šis padalijimas yra prasmingas. Užpakalinės smegenys, esantys kaukolės pagrinde, orkestruoja automatiškas gyvybines funkcijas, tokias kaip širdies plakimas, kvėpavimo ritmas ir miego ciklai. Vidurinės bei priekinės smegenys skiriamos aukštesniajai pažinčiai, įskaitant kalbą, loginį mąstymą ir abstraktų suvokimą. Nepaisant skirtingų pradžių, šios dvi sistemos tapo glaudžiai susietos, koordinuodamos viską nuo refleksų iki sąmoningų sprendimų priėmimo.

Darbas, paskelbtas žurnale Nature Neuroscience, eina toliau už evoliucijos pasakojimų. Dekoduodami, kaip užpakalinių smegenų ląstelės yra unikaliai nulemti, Stanfordo komanda išvystė metodą, leidžiantį laboratorijoje iš žmogaus kamieninių ląstelių pagaminti tvirtus užpakalinių smegenų motorinius neuronus. Tai pirmas kartas, kai tyrėjai efektyviai in vitro sugeneravo šiuos žemutinius motorinius neuronus, žingsnis, turintis aiškią klinikinę vertę.

Žemutiniai motoriniai neuronai yra pagrindiniai taikiniai tokioms ligoms kaip amiotrofinė lateralinė sklerozė (ALS) ir spinalinė raumenų atrofija (SMA). Patikimo šių ląstelių šaltinio turėjimas atveria kelią tikslesniems ligų modeliams, geresniam vaistų atrankos procesui ir galiausiai terapiniams tyrimams, pagrįstiems ląstelėmis. Jei priekinės ir užpakalinės smegenys iš tiesų laikosi atskirų vystymosi scenarijų, pritaikyti kultivavimo metodai bus būtini translaciniam progresui.

"Tai, kas atrodė kaip techninė problema, tapo langas į mūsų evoliucinę praeitį," sakė pagrindinis tyrimo vadovas. "Dvigubos kilmės pripažinimas leido mums perrašyti kamieninių ląstelių receptūras ir pagaliau užauginti mums reikalingus neuronus."

Tolimesni žingsniai apima tikslių molekulinių jungiklių, užfiksuojančių ląstelę kaip priekinės arba užpakalinės smegenų likimą, žemėlapio sudarymą ir testavimą, ar nuo paciento kilusios kamieninės ląstelės tiksliau atkartoja ligos ypatybes, diferencijuotos užpakalinės smegenų kryptimi. Šis atradimas formuoja naują neurobiologų mąstyseną apie smegenų vystymąsi ir suteikia naujus įrankius kovoje su neurodegeneracinėmis ligomis.

Pasekmės

Pagrindinė žinutė yra ir paprasta, ir gili: žmogaus smegenys vystymosi prasme nėra vienkomponentis organas. Jų dvi senovinės sistemos paliko genetinį pėdsaką, svarbų evoliucijai, fundamentaliai biologijai ir medicinai. Tyrėjai dabar turi aiškesnį žemėlapį, kaip auginti užpakalinių smegenų sunkiai gaunamus neuronus, ir ši aiškuma gali pagreitinti gydymų kūrimą ligoms, kurios pažeidžia šias ląsteles.