Νέα μελέτη του Stanford αλλάζει ένα βασικό μοντέλο της νευροβιολογίας, δείχνοντας ότι ο πρόσθιος και ο μέσος εγκέφαλος αναπτύσσονται από διαφορετικό πληθυσμό προγονικών κυττάρων σε σχέση με τον οπίσθιο εγκέφαλο. Οι ερευνητές μιλούν για έναν «σύνθετο» εγκέφαλο με δύο αρχαίες αναπτυξιακές καταβολές.
Μια νέα έρευνα από το Stanford Medicine αμφισβητεί μία από τις πιο εδραιωμένες αντιλήψεις για την ανάπτυξη του ανθρώπινου εγκεφάλου.
Για δεκαετίες, το επικρατέστερο μοντέλο υποστήριζε ότι όλες οι βασικές περιοχές του εγκεφάλου προέρχονται κατά την εμβρυϊκή ανάπτυξη από έναν κοινό πληθυσμό πρόδρομων νευρικών κυττάρων.
Τα νέα δεδομένα, που δημοσιεύθηκαν στις 18 Σεπτεμβρίου στο Nature Neuroscience, δείχνουν κάτι διαφορετικό: δύο διακριτοί πληθυσμοί προγονικών κυττάρων εμφανίζονται παράλληλα ήδη κατά τη γαστριδίωση, ένα από τα πρώιμα στάδια της εμβρυϊκής ανάπτυξης. Ο ένας δημιουργεί τον πρόσθιο και τον μέσο εγκέφαλο και ο άλλος τον οπίσθιο εγκέφαλο.
Οι ερευνητές περιγράφουν έτσι τον εγκέφαλο ως ένα σύνθετο όργανο που προκύπτει από δύο διαφορετικές αναπτυξιακές γραμμές.
Τι σημαίνει πραγματικά ότι ο εγκέφαλος έχει «δύο προελεύσεις»
Η διατύπωση ότι ο ανθρώπινος εγκέφαλος αποτελείται από «δύο ξεχωριστά όργανα» είναι εντυπωσιακή, αλλά χρειάζεται διευκρίνιση.
Η ίδια η επιστημονική εργασία δεν υποστηρίζει ότι ο ενήλικος άνθρωπος διαθέτει κυριολεκτικά δύο ανεξάρτητους εγκεφάλους. Οι ερευνητές προτείνουν ότι ο εγκέφαλος είναι ένα composite organ, δηλαδή ένα σύνθετο όργανο που δημιουργείται από δύο αναπτυξιακά διακριτούς προγονικούς πληθυσμούς.
Ο Kyle Loh, αναπτυξιακός βιολόγος του Stanford και ανώτερος συγγραφέας της μελέτης, το περιέγραψε ακόμη πιο ξεκάθαρα στο Nature: ο εγκέφαλος παραμένει ένα όργανο, αλλά «χτίζεται» από δύο διαφορετικά τμήματα που τελικά συνδέονται και λειτουργούν μαζί.
Πρόκειται επομένως κυρίως για ανατροπή στην κατανόηση της εμβρυϊκής και εξελικτικής προέλευσης του εγκεφάλου.
Δύο διαφορετικοί πληθυσμοί κυττάρων από την αρχή
Το κρίσιμο εύρημα προέκυψε από τη μελέτη εμβρύων ποντικών.
Οι επιστήμονες εντόπισαν δύο διαφορετικούς τύπους κυττάρων του νευρικού εξωδέρματος.
Ο πρώτος πληθυσμός εκφράζει το γονίδιο Otx2 και προορίζεται να δημιουργήσει τον πρόσθιο και τον μέσο εγκέφαλο.
Ο δεύτερος εκφράζει το γονίδιο Gbx2 και οδηγεί στην ανάπτυξη του οπίσθιου εγκεφάλου.
Οι δύο πληθυσμοί εμφανίζονται παράλληλα κατά τη γαστριδίωση και, σύμφωνα με τη χαρτογράφηση των ερευνητών, δεν επικαλύπτονται.
Αυτό σημαίνει ότι ο οπίσθιος εγκέφαλος δεν φαίνεται να προκύπτει ως μεταγενέστερη «διακλάδωση» από έναν ενιαίο νευρικό πρόγονο.
Αντίθετα, έχει τη δική του αναπτυξιακή πορεία από εξαιρετικά πρώιμο στάδιο.
Διαφορετικό ακόμη και το «πακετάρισμα» του DNA
Οι ερευνητές δεν περιορίστηκαν στην παρακολούθηση των κυττάρων.
Μελέτησαν επίσης τη χρωματίνη, δηλαδή τον τρόπο με τον οποίο το DNA οργανώνεται μέσα στο κύτταρο και καθορίζει ποια γονίδια είναι περισσότερο ή λιγότερο προσβάσιμα.
Διαπίστωσαν ότι τα κύτταρα που προορίζονται για τον πρόσθιο και μέσο εγκέφαλο έχουν θεμελιωδώς διαφορετική αρχιτεκτονική χρωματίνης από εκείνα που πρόκειται να σχηματίσουν τον οπίσθιο εγκέφαλο.
Οι διαφορές αυτές φαίνεται ότι «κλειδώνουν» πολύ νωρίς τη μοίρα των κυττάρων, οδηγώντας τα σε δύο διαφορετικές αναπτυξιακές πορείες.
Πρόσθιος εγκέφαλος και οπίσθιος εγκέφαλος έχουν πολύ διαφορετικούς ρόλους
Ο ανθρώπινος εγκέφαλος διακρίνεται αναπτυξιακά σε τρεις βασικές περιοχές: πρόσθιο, μέσο και οπίσθιο εγκέφαλο.
Ο πρόσθιος εγκέφαλος συνδέεται με ανώτερες γνωστικές λειτουργίες, όπως η γλώσσα, η συνείδηση, ο σχεδιασμός και η αφηρημένη σκέψη.
Ο οπίσθιος εγκέφαλος περιλαμβάνει δομές που συμμετέχουν σε ζωτικές και σε μεγάλο βαθμό αυτόματες λειτουργίες, όπως η αναπνοή, η καρδιαγγειακή ρύθμιση, ο ύπνος, αλλά και ο έλεγχος μυών που εμπλέκονται στην κατάποση, στην ομιλία και στις κινήσεις του προσώπου.
Αυτή η αναπτυξιακή διαφοροποίηση ίσως εξηγεί γιατί οι επιστήμονες αντιμετώπιζαν επί δεκαετίες δυσκολίες όταν προσπαθούσαν να δημιουργήσουν συγκεκριμένους νευρώνες του οπίσθιου εγκεφάλου στο εργαστήριο.
Γιατί οι προηγούμενες προσπάθειες αποτύγχαναν
Μία από τις σημαντικότερες πρακτικές συνέπειες της ανακάλυψης αφορά τη βιολογία των βλαστοκυττάρων.
Οι επιστήμονες επιχειρούσαν επί χρόνια να δημιουργήσουν νευρώνες του οπίσθιου εγκεφάλου ξεκινώντας από κύτταρα που θεωρούσαν ότι αποτελούν κοινό πρόδρομο ολόκληρου του εγκεφάλου.
Η νέα μελέτη υποδεικνύει ότι αυτή η στρατηγική μπορεί να βασιζόταν σε λανθασμένη υπόθεση.
Όπως εξηγούν οι ερευνητές, πιθανότατα επιχειρούσαν να μετατρέψουν προγονικά κύτταρα του πρόσθιου και μέσου εγκεφάλου σε κύτταρα του οπίσθιου εγκεφάλου — κάτι που, με βάση τα νέα δεδομένα, τα συγκεκριμένα κύτταρα δεν είναι προγραμματισμένα να κάνουν.
Για πρώτη φορά λειτουργικοί κινητικοί νευρώνες του οπίσθιου εγκεφάλου
Αξιοποιώντας τη νέα γνώση, η ομάδα κατάφερε να καθοδηγήσει ανθρώπινα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα ώστε να δημιουργήσει στο εργαστήριο εξειδικευμένους κινητικούς νευρώνες του οπίσθιου εγκεφάλου.
Τα κύτταρα παρουσίασαν χαρακτηριστικά πραγματικών νευρώνων: παρήγαγαν δυναμικά ενέργειας —τα ηλεκτρικά σήματα με τα οποία επικοινωνούν οι νευρώνες— και εξέφρασαν πρωτεΐνες χαρακτηριστικές περιοχών που ελέγχουν τους μύες του προσώπου και της κατάποσης.
Το επίτευγμα θεωρείται από τα πιο σημαντικά στοιχεία της μελέτης.
Ακόμη και επιστήμονες που εμφανίζονται επιφυλακτικοί απέναντι στην ευρύτερη ερμηνεία περί δύο εντελώς ξεχωριστών κυτταρικών καταβολών αναγνωρίζουν τη σημασία της νέας μεθόδου παραγωγής νευρώνων του οπίσθιου εγκεφάλου.
Μια ιστορία που μπορεί να ξεκινά πριν από 550 εκατ. χρόνια
Η επιστημονική ομάδα αναζήτησε τις ρίζες του φαινομένου πολύ βαθιά στην εξελικτική ιστορία.
Παρόμοιο μοτίβο διπλής νευρικής προέλευσης εντοπίστηκε σε κοτόπουλα, ψάρια ζέβρα και ακόμη και σε acorn worms, θαλάσσιους οργανισμούς που μοιράζονται με τον άνθρωπο έναν πολύ μακρινό κοινό πρόγονο.
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι ο διαχωρισμός αυτός μπορεί να είναι εξελικτικά διατηρημένος για περίπου 550 εκατομμύρια χρόνια.
Οι μέδουσες, οι οποίες διαχωρίστηκαν από τη γενεαλογική γραμμή που οδήγησε στους ανθρώπους πριν από περίπου 600 έως 700 εκατομμύρια χρόνια, διαθέτουν επίσης χωριστά νευρικά συστήματα σε διαφορετικά σημεία του σώματός τους.
Η ομάδα διατυπώνει την υπόθεση ότι κατά την εξέλιξη δύο αρχαιότερα νευρικά συστήματα ενδέχεται να πλησίασαν χωρικά και τελικά να ενσωματώθηκαν σε αυτό που σήμερα αντιλαμβανόμαστε ως έναν ενιαίο εγκέφαλο.
Νέες δυνατότητες για ALS και νωτιαία μυϊκή ατροφία
Η πρακτική σημασία της ανακάλυψης μπορεί να είναι ιδιαίτερα μεγάλη για τη μελέτη νευροεκφυλιστικών νοσημάτων.
Η αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση (ALS) και η νωτιαία μυϊκή ατροφία (SMA) επηρεάζουν κινητικούς νευρώνες, συμπεριλαμβανομένων κυττάρων που σχετίζονται με λειτουργίες του οπίσθιου εγκεφάλου.
Καθώς δεν είναι εφικτό να λαμβάνεται ζωντανός ιστός από αυτές τις ευαίσθητες περιοχές του εγκεφάλου των ασθενών, η δυνατότητα δημιουργίας αντίστοιχων ανθρώπινων νευρώνων στο εργαστήριο μπορεί να προσφέρει πολύτιμα νέα μοντέλα της νόσου.
Οι επιστήμονες θα μπορούν να παρακολουθούν πώς εξελίσσονται οι κυτταρικές βλάβες, να μελετούν τους γενετικούς μηχανισμούς και να δοκιμάζουν πειραματικές θεραπείες σε ανθρώπινα κύτταρα.
Κάντε like στη σελίδα μας στο facebook για να μαθαίνετε όλα τα νέα
Διαβάστε επίσης
Μιλάτε πολλές γλώσσες; Ο εγκέφαλος μπορεί να φαίνεται έως 13 χρόνια νεότερος
Τα όνειρα δεν είναι τυχαία: Τι «ξαναγράφει» ο εγκέφαλος
