O descoperire recentă contestă un model consacrat de dezvoltare a creierului
De-a lungul secolelor, oamenii de știință au considerat creierul ca fiind un organ unic și unitar. Însă, cercetări recente conduse de Stanford Medicine dezvăluie că ceea ce numim creier este, de fapt, două organe distincte care au evoluat independent pe parcursul a sute de milioane de ani.
Această descoperire contrazice un model prevalențial al dezvoltării creierului. De zeci de ani, cercetătorii au susținut teoria conform căreia există o singură celulă progenitoare în stadiile incipiente ale dezvoltării, care dă naștere întregului creier. Acest model sugera că toate părțile creierului au avut un origin comun în dezvoltare.
Noul rezultat al cercetării arată că creierul uman constă din două sisteme nervoase antice ingenios ambalate împreună – o parte mai primitivă care reglează bătăile inimii, respirația și alte funcții, și o altă parte care ne face distinct umani, capabili de poezie, matematică și de a ne întreba despre originile noastre.
Descoperirea ar putea explica de ce oamenii de știință au avut dificultăți timp de decenii în a cultiva anumite tipuri de celule cerebrale în laborator – și deschide noi direcții pentru studierea bolilor devastatoare care afectează trunchiul cerebral, cum ar fi atrofia musculară spinală (cunoscută și sub denumirea de SMA) și scleroză laterală amiotrofică (cunoscută și sub denumirea de ALS sau boala lui Lou Gehrig).
„Am demonstrat pentru prima dată că partea din față a creierului provine dintr-o celulă progenitoare complet diferită de cea din spatele creierului. Descoperirea noastră înseamnă că acum putem cultiva neuroni din partea din spate a creierului, cerebelul, într-un pahar de petri și să studiem funcțiile lor”, a declarat Kyle Loh, cercetător asociat în biologie dezvoltamentală la Stanford Medicine.
Rezultatele cercetării vor fi publicate în Nature Neuroscience pe 18 septembrie. Loh este autorul principal, iar studenții absolvenți Carolyn Dundes și Rayyan Jokhai sunt coautori ai cercetării.
Creierul adult are trei regiuni principale: creierul anterior, creierul mijlociu și cerebelul. Creierul anterior se ocupă de gândirea la nivel înalt – limbaj, conștiință și raționament abstract. În contrast, cerebelul, aflat în partea din spate a craniului și adesea denumit trunchiul cerebral, controlează funcții esențiale și automate care ne mențin în viață: respirația, somnul și reglarea bătăilor inimii și a senzației de foame.
Cu toate că cerebelul este extrem de important, oamenii de știință s-au confruntat cu dificultăți timp de decenii în a genera neuroni umani din cerebel în laborator. Această lacună a îngreunat cercetările asupra bolilor devastatoare care afectează trunchiul cerebral, inclusiv atrofia musculară spinală și scleroză laterală amiotrofică.
SMA este o cauză genetică principală de deces în rândul copiilor cu vârsta sub un an. ALS, care este de obicei diagnosticată între 40 și 70 de ani, afectează atât creierul anterior, cât și cerebelul. În ambele afecțiuni, anumiți neuroni din cerebel încetează treptat să mai funcționeze, iar pacientul pierde abilitatea de a înghiți, ceea ce poate provoca pneumonie atunci când mâncarea sau lichidul sunt inhalate în plămâni; în cele din urmă, pacienții își pierd capacitatea de a respira.
Descoperirea echipei a venit din studierea primelor momente ale dezvoltării embrionare, în timpul unei etape numite gastrulație, când corpul începe să își contureze forma. Jokhai și Dundes au descoperit că cerebelul urmează o cale de dezvoltare separată, care decurge în paralel cu – și nu se ramifică din – calea care creează creierul anterior și creierul mijlociu.
Cercetătorii au identificat două celule progenitoare diferite ale creierului. Una, care exprimă un gen numit Otx2, este destinată să devină creierul anterior și creierul mijlociu. Cealaltă, care exprimă un gen numit Gbx2, este dedicată formării cerebelului. Aceștia au demonstrat că aceste două populații celulare nu se suprapun niciodată; sunt exclusiv separate încă din cele mai timpurii etape ale dezvoltării.
Echipa a examinat apoi modul în care era ambalată ADN-ul, sau cromatina, în aceste celule. Cromatina este o modalitate prin care celulele determină care gene pot fi accesibile ușor și care sunt grupate departe. Ceea ce au descoperit a fost surprinzător: ectodermul neural anterior (viitorul creier anterior și mijlociu) și ectodermul neural posterior (viitorul cerebel) au configurații de cromatină fundamental diferite. Aceste diferențe au încercat să închidă fiecare celulă progenitoare în destinul său respectiv, asemeni unor călători pe trasee paralele care nu se intersectează.
„Încercările anterioare de a crea neuroni din cerebel probabil că au încercat să convingă progenitorii creierului anterior și mijlociu să devină celule din cerebel, ceea ce studiul nostru demonstrează că nu este posibil”, a spus Jokhai.
Această revelație a explicat frustrările din domeniu – oamenii de știință încercau să transforme un tip de celulă progenitoare în altul de care nu este capabil din punct de vedere fundamental.
„În biologia celulelor stem, oamenii sunt mereu concentrați pe crearea tipului de celulă finală, precum neuronul”, a spus Jokhai. „Dar este important să începem din cele mai timpurii etape ale dezvoltării embrionare. Atenția noastră atentă la acel moment timpuriu ne-a permis să găsim această diviziune fundamentală în dezvoltarea creierului.”
Înarmate cu aceste cunoștințe, cercetătorii au reușit pentru prima dată să transforme celule stem pluripotente umane (un tip de celulă care poate crea orice celulă din corpul uman) în neuroni motori funcționali din cerebel în laborator. Acești neuroni cultivați în laborator prezentau toate caracteristicile celulelor autentice din cerebel: manifestau valuri de activitate electrică numite potențiale de acțiune și produceau proteine care identifică segmentele cerebelului ce controlează mușchii feței și înghițirii.
În cele din urmă, cercetătorii au analizat peste 550 de milioane de ani de timp evolutiv. Au descoperit același model de creier cu două origini la păsări, pești-zebră și, remarcabil, la viermi cu coajă, creaturi mici care trăiesc pe fundul oceanului și care împărtășesc un strămoș comun îndepărtat cu oamenii. Meduzele, care s-au despărțit de oameni acum aproximativ 600 – 700 de milioane de ani, au două sisteme nervoase la capetele opuse ale corpului lor.
„Cercetarea noastră sugerează că evoluția a luat două sisteme neuronale existente și le-a combinat spațial”, a declarat Loh. „A avea creierul ca un singur organ ar fi probabil mai eficient, dar ne bazăm pe această modalitate primordială de a construi creierul ca două piese separate.”
„Am fost surprins de descoperirile noastre, deoarece cuvântul „creier”
