У мозга оказалось два разных «начала»

Исследование Stanford меняет базовую схему развития мозга и объясняет, почему некоторые его нейроны десятилетиями не удавалось нормально выращивать в лаборатории

Мозг казался одним органом — и происхождение ему тоже приписывали одно

Когда мы говорим «мозг», интуитивно представляется единая структура. Конечно, у неё множество отделов с разными функциями, но все они являются частями одного органа.

Примерно так долго представляли и его раннее развитие.

Согласно классической модели, на раннем этапе эмбриогенеза возникает общая нейральная ткань, клетки которой затем получают разные региональные идентичности. Одни становятся предшественниками переднего мозга, другие — среднего, третьи — заднего.

Команда исследователей под руководством специалистов Stanford Medicine решила проверить более фундаментальный вопрос: действительно ли эти области мозга первоначально происходят из одной и той же популяции клеток?

Ответ оказался неожиданным.

Разделение происходит раньше, чем предполагали

Исследователи изучали гаструляцию — один из самых ранних этапов развития эмбриона, когда будущий организм только начинает приобретать основной план строения.

При помощи отслеживания клеточных линий у эмбрионов мышей учёные обнаружили две популяции клеток нервной эктодермы, возникающие параллельно.

Одна из них — передняя нервная эктодерма — становится источником переднего и среднего мозга.

Другая — задняя нервная эктодерма — формирует задний мозг.

У этих клеток различались и молекулярные маркеры. Будущая передняя часть мозга была связана с экспрессией Otx2, а будущая задняя — Gbx2.

Но главное заключалось не просто в наличии разных маркеров.

Отслеживание происхождения клеток показало, что две популяции практически не смешиваются. Они возникают одновременно и с самого начала следуют разными траекториями развития.

Иными словами, задний мозг в этой модели не является поздним ответвлением единого «зачатка мозга».

Клетки уже знают, каким мозгом им предстоит стать

Исследователи проверили различия ещё на одном уровне — посмотрели на хроматин.

Хроматин — это комплекс ДНК и белков, в который упакован генетический материал клетки. Такая упаковка имеет функциональное значение: одни участки ДНК остаются доступными для работы, другие становятся менее доступными.

Поэтому структура хроматина позволяет понять, к выполнению какой программы клетка уже подготовлена.

У клеток-предшественников переднего/среднего и заднего мозга обнаружились разные профили доступности хроматина.

Проще говоря, различия существовали не только в том, какие гены клетки использовали в конкретный момент. Сама организация их генетической программы уже была настроена на разные будущие судьбы.

Исследователи получили сходный результат и при работе с человеческими плюрипотентными стволовыми клетками — клетками, способными превращаться во множество типов клеток организма.

Когда из них создавали аналоги передней и задней нервной эктодермы, эти популяции также демонстрировали разную региональную судьбу.

Вот почему некоторые нейроны так трудно было получить в лаборатории

Здесь фундаментальное открытие превращается в весьма практическое.

Учёные давно умеют направлять человеческие плюрипотентные стволовые клетки по определённым путям развития и получать из них разные типы нейронов. Такие клетки необходимы для изучения болезней, проверки гипотез и разработки экспериментальных методов лечения.

Но с некоторыми нейронами заднего мозга возникали серьёзные трудности.

Новая работа предлагает неожиданное объяснение.

Проблема могла заключаться не только в том, какие сигналы давали клеткам в конце процесса. Исследователи могли начинать не с того раннего предшественника.

Представьте железнодорожную развилку, которая возникает почти в самом начале маршрута. Если поезд уже оказался на линии, ведущей к переднему мозгу, позднее переключение сигналов не обязательно превратит её в линию заднего мозга.

Именно здесь происходит ключевой момент исследования: чтобы получить правильную зрелую клетку, иногда недостаточно знать, какой должна быть конечная клетка. Нужно воспроизвести правильный путь к ней практически с самого начала эмбрионального развития.

Учёные получили человеческие моторные нейроны заднего мозга

Используя новую схему развития, команда направила человеческие плюрипотентные стволовые клетки сначала в состояние задней нервной эктодермы, а затем дальше — к конкретным типам клеток заднего мозга.

В результате исследователи получили моторные нейроны, соответствующие сегментам заднего мозга rhombomere 5/6.

Эти клетки демонстрировали признаки функциональных нейронов, включая способность генерировать потенциалы действия — электрические импульсы, которыми нервные клетки передают информацию.

Они также экспрессировали характерные молекулярные маркеры нейронов, связанных с управлением мышцами лица, глотки и другими функциями.

Это важно потому, что задний мозг обеспечивает процессы, без которых человек не может жить: он участвует в контроле дыхания, сердечной деятельности, глотания и других автоматических функций.

А поражение соответствующих моторных нейронов играет роль при тяжёлых неврологических заболеваниях.

Новая модель может помочь изучать СМА и БАС

При спинальной мышечной атрофии (СМА) и боковом амиотрофическом склерозе (БАС) страдают моторные нейроны. По мере их повреждения человеку становится всё труднее управлять мышцами.

При тяжёлом поражении нейронов, связанных с глотанием и дыханием, последствия особенно опасны.

Изучать человеческие нейроны стволовых структур мозга непосредственно у живого пациента чрезвычайно сложно. Поэтому лабораторные модели из плюрипотентных стволовых клеток становятся одним из способов наблюдать, что происходит с такими клетками при заболевании.

Если новая методика позволит надёжнее получать нужные разновидности нейронов заднего мозга, исследователи смогут создавать более точные клеточные модели болезней.

Это ещё не лечение СМА или БАС и не доказательство того, что открытие обязательно приведёт к новой терапии.

Но теперь появился более подходящий экспериментальный объект, на котором можно исследовать механизмы этих заболеваний.

Самая неожиданная часть истории началась 550 миллионов лет назад

Авторы пошли дальше эмбриологии мышей и человеческих стволовых клеток и сравнили организацию нервной системы у разных животных.

Признаки разделения передней и задней нервной эктодермы обнаруживаются у очень далёких друг от друга видов — в том числе у рыб, птиц и полухордовых, к которым относятся желудёвые черви.

Это привело исследователей к эволюционной гипотезе.

Две линии развития нервной системы могут быть чрезвычайно древними и сохраняться на протяжении примерно 550 миллионов лет эволюции.

Авторы предполагают, что современный мозг позвоночных можно рассматривать как составную структуру, возникшую из двух эволюционно древних программ развития, пространственно объединённых в процессе эволюции.

И это, пожалуй, главный «момент осознания» всей работы.

То, что взрослому человеку кажется одним непрерывным органом, на самых ранних этапах своего формирования может начинаться как две отдельные линии развития.

«Два мозга» — красивая формула, но понимать её буквально нельзя

Stanford Medicine описал результат провокационной фразой: «Human brain is two separate organs».

Научная статья формулирует вывод осторожнее: авторы предлагают рассматривать мозг как составной орган — происходящий из двух ограниченных по своей судьбе популяций предшественников.

Разница принципиальна.

Исследование не обнаружило внутри головы человека два автономных мозга. Оно не предлагает нового анатомического деления взрослого мозга и не утверждает, что его части функционируют независимо друг от друга.

Речь идёт о происхождении клеточных линий во время развития.

Передний и средний мозг, с одной стороны, и задний мозг — с другой, согласно новой модели, могут иметь разные ранние клеточные истоки.

Человеческий мозг напрямую проследить от эмбриона исследователи не могли

Есть ещё одно важное ограничение.

Ключевые эксперименты по отслеживанию судьбы клеток проводились на эмбрионах мышей. Именно этот метод позволил увидеть, какие ранние клетки впоследствии формируют определённые области мозга.

Для человеческой части исследования использовали плюрипотентные стволовые клетки и воспроизводили ранние этапы развития в лаборатории.

Поэтому нельзя сказать, что учёные непосредственно проследили две клеточные линии внутри развивающегося человеческого эмбриона.

Однако сочетание экспериментов на животных, данных о состоянии хроматина, опытов с человеческими клетками и сравнительного анализа разных видов создаёт аргумент в пользу модели двух параллельных предшественников.

Иногда главное открытие находится не в конечной клетке, а в её прошлом

Работа Stanford интересна ещё и более общим принципом.

Современная биомедицина часто пытается получить в лаборатории конкретный конечный продукт: моторный нейрон, клетку сердца, клетки печени или другой специализированный тип ткани.

Но клетка — это не просто набор нужных генов в конечной точке. Её свойства зависят от последовательности решений, принятых намного раньше в процессе развития.

Если пропустить правильную развилку, последующие сигналы могут уже не исправить маршрут.

Для регенеративной медицины и моделирования заболеваний это важный урок: иногда, чтобы научиться создавать зрелую человеческую клетку, приходится сначала понять, кем она была в первые дни существования эмбриона.