Šokantno otkriće naučnika sa Stanforda: Mozak nije jedan jedinstveni organ! Nastaje iz dve matične ćelije

Mozak se smatra jednim jedinstvenim organom. I to vekovima. Ipak, novo istraživanje pokazuje da ono što nazivamo mozgom u stvari predstavlja dva različita organa nezavisno razvijana stotinama miliona godina, saopštio je Medicinski fakultet Univerziteta Stanford.

Ovo otkriće ruši glavni model razvoja mozga. Decenijama su istraživači podržavali teoriju da postoji jedna matična ćelija u ranom razvoju iz koje nastaje ceo mozak. Ovaj model je sugerisao da svi delovi mozga dele zajedničko razvojno poreklo.

Preporučujemo

Novo istraživanje pokazuje da se ljudski mozak sastoji od dva drevna nervna sistema koja su vešto spojena - jedan primitivniji deo, koji reguliše rad srca, disanje i druge funkcije, i drugi, koji nas čini ljudima, sposobnim za bavljenje poezijom, matematikom i razmišljanjem o sopstvenom poreklu.

Ovo otkriće moglo bi da objasni zašto se naučnici decenijama bore da u laboratoriji uzgoje određene tipove moždanih ćelija, ali i otvara nove puteve za proučavanje teških bolesti koje pogađaju moždano stablo, kao što su spinalna mišićna atrofija (poznata kao SMA) i amiotrofična lateralna skleroza (poznata kao ALS ili Lu Gerigova bolest).

- Prvi put smo pokazali da prednji deo mozga nastaje iz potpuno drugačije matične ćelije nego zadnji deo mozga. Naše otkriće znači da sada možemo da uzgajamo neurone zadnjeg mozga, odnosno rombastog mozga, u petrijevoj šolji i proučavamo njihove funkcije - rekao je dr Kajl Lo, vanredni profesor razvojne biologije.

Rezultati su objavljeni u žurnalu Nature Neuroscience. Lo je glavni autor studije, dok su studenti doktorskih studija Kerolin Dandis i Rajan Džokaj koautori.

Dva mozga

Mozak odrasle osobe ima tri glavna regiona: prednji, srednji i zadnji mozak (rombencefalon). Prednji mozak zadužen je za misaone procese višeg nivoa: jezik, svest i apstraktno zaključivanje. Nasuprot tome, zadnji mozak, smešten u potiljačnom delu lobanje i često nazivan moždanim stablom, kontroliše osnovne, automatske funkcije koje nas održavaju u životu: disanje, spavanje i regulaciju rada srca i osećaja gladi. Neuroni zadnjeg mozga takođe kontrolišu mišiće lica, jezika i grla, što utiče na govor i gutanje.

Uprkos ključnoj važnosti zadnjeg mozga, naučnici su decenijama imali poteškoća da proizvedu ljudske neurone zadnjeg mozga u laboratoriji. Taj nedostatak je kočio istraživanja teških bolesti koje pogađaju moždano stablo, uključujući SMA i ALS.

SMA je vodeći genetski uzrok smrti kod dece mlađe od godinu dana. ALS, koji se često dijagnostikuje između 40. i 70. godine života, pogađa i prednji i zadnji mozak. Kod oba poremećaja, određeni neuroni zadnjeg mozga postepeno prestaju da funkcionišu, pacijent gubi sposobnost gutanja, što može izazvati upalu pluća ako hrana ili tečnost dospeju u pluća; na kraju, pacijenti gube sposobnost disanja.

Proboj istraživača usledio je nakon proučavanja najranijih trenutaka embrionalnog razvoja, tokom faze zvane gastrulacija, kada telo poprima svoj oblik. Džokaj i Dandis otkrili su da zadnji mozak prati poseban razvojni put, koji teče paralelno sa putem koji stvara prednji i srednji mozak, umesto da se iz njega grana.

Istraživači su do ovoga došli ispitujući embrione miševa u razvoju. Identifikovali su dve različite matične ćelije mozga. Jedna, koja eksprimira gen pod nazivom Otx2, predodređena je da postane prednji i srednji mozak. Druga, koja eksprimira gen pod nazivom Gbx2, zadužena je za formiranje zadnjeg mozga. Pokazali su da se ove dve populacije ćelija nikada ne preklapaju; one su međusobno isključive od najranijih faza razvoja.

Tim je zatim ispitao pakovanje DNK, odnosno hromatin, u ovim ćelijama. Hromatin je način na koji ćelije određuju kojim genima se može lako pristupiti, a koji su „upakovani“ van domašaja. Otkriće je bilo zapanjujuće: prednji nervni ektoderm (budući prednji i srednji mozak) i zadnji nervni ektoderm (budući zadnji mozak) imaju fundamentalno različite konfiguracije hromatina. Ove razlike su praktično zaključale svaku matičnu ćeliju u njenu sudbinu, kao putnike na paralelnim kolosecima koji se nikada ne seku.

- Prethodni pokušaji da se naprave neuroni zadnjeg mozga verovatno su pokušavali da matične ćelije prednjeg i srednjeg mozga „nagovore“ da postanu ćelije zadnjeg mozga, što naša studija pokazuje da nije moguće - rekao je Džokaj.

Ovo otkriće objasnilo je decenije frustracije u ovoj oblasti - naučnici su pokušavali da pretvore jedan tip matične ćelije u drugi, u koji ona suštinski ne može da se razvije.

- U biologiji matičnih ćelija, ljudi su uvek fokusirani na stvaranje krajnjeg tipa ćelije, poput neurona. Ali važno je početi od najranijih faza embrionalnog razvoja. Naša pažnja usmerena na taj rani trenutak omogućila nam je da pronađemo ovu temeljnu podelu u razvoju mozga – rekao je Džokaj.

Uzgajanje neurona zadnjeg mozga

Naoružani ovim saznanjem, istraživači su po prvi put u laboratoriji uspešno naveli ljudske pluripotentne matične ćelije (vrstu ćelija koje mogu stvoriti bilo koju ćeliju u ljudskom telu) da postanu funkcionalni motorni neuroni zadnjeg mozga. Ovi neuroni uzgojeni u laboratoriji pokazali su sva obeležja autentičnih ćelija zadnjeg mozga: pokazivali su talase električne aktivnosti zvane akcioni potencijali i proizvodili proteine koji identifikuju segmente zadnjeg mozga koji kontrolišu mišiće lica i gutanja.

Na kraju, istraživači su sagledali 550 miliona godina evolucije. Isti obrazac mozga sa dva porekla pronašli su kod pilića, zebrica i, začudo, kod žirovih crva, sićušnih stvorenja koja žive na dnu okeana i dele dalekog zajedničkog pretka sa ljudima. Meduze, koje su se od ljudi odvojile pre oko 600 do 700 miliona godina, imaju dva nervna sistema na različitim krajevima tela.

- Naše istraživanje sugeriše da je evolucija uzela dva postojeća nervna sistema i prostorno ih spojila. Imati mozak kao jedan organ verovatno bi bilo efikasnije, ali mi se oslanjamo na ovaj drevni način formiranja mozga kao dva odvojena dela - rekao je Lo.

- Bio sam iznenađen našim nalazima jer reč „mozak“ podrazumeva kontinuirani organ koji verovatno ima jedinstveno poreklo. Ali čak i pre 500 miliona godina postojali su ti odvojeni nervni sistemi, koji sada skoro funkcionišu kao jedan, što je veoma zanimljivo – dodao je Džokaj.

Istraživanje takođe ima implikacije za istraživanje tretmana za SMA, ALS i druga stanja koja pogađaju moždano stablo. Do sada je proučavanje ovih bolesti bilo gotovo nemoguće jer naučnici ne mogu da dobiju tkivo moždanog stabla od živih pacijenata. Sposobnost uzgajanja ovih neurona u posudi otvara nove mogućnosti za razumevanje procesa koji dovode do bolesti. Postoji čak i neočekivana veza sa lečenjem gojaznosti: zadnji mozak sadrži kola koja regulišu glad - što je upravo način na koji deluju lekovi za mršavljenje poput semaglutida.

Istraživači žele da prošire svoja istraživanja kako bi utvrdili razvojno poreklo kičmene moždine i saznali tačno kako SMA i ALS kompromituju funkciju neurona zadnjeg mozga.

- Sada imamo model da bolje razumemo ove teške bolesti i radimo na regenerativnim terapijama za njih. Ovo je veoma uzbudljiva nova granica u istraživanju mozga – naglasio je Džokaj.

(Telegraf Nauka / Stanford Medicine)