• Tweet

Creierul este format din două organe separate care lucrează împreună, mai degrabă decât o unitate unificată, au descoperit oamenii de știință de la Universitatea Stanford. Cercetătorii cred acum că, la un moment dat în istoria evolutivă a omului, cele două părți ale creierului ar fi putut fi separate în spațiu.

De secole, oamenii de știință au considerat creierul ca un singur organ unificat. Dar noi cercetări conduse de Stanford Medicine dezvăluie că ceea ce numim creier este de fapt două organe distincte care au evoluat independent de-a lungul a sute de milioane de ani.

Descoperirea răstoarnă un model predominant al dezvoltării creierului. De decenii, cercetătorii au susținut teoria că există o singură celulă progenitoare la începutul dezvoltării care dă naștere întregului creier. Acest model sugera că toate părțile creierului au un origini dezvoltare comună.

Noua descoperire de cercetare arată că creierul uman constă din două sisteme nervoase antice ingenios împachetate împreună - o parte mai primitivă care reglează bătăile inimii noastre, respirația și alte funcții, și alta care ne face distinct umani, capabili de poezie, matematică și de a ne întreba despre propriile noastre origini.

Descoperirea ar putea ajuta la explicarea de ce oamenii de știință s-au luptat timp de decenii să cultive anumite tipuri de celule cerebrale în laborator - și deschide noi căi pentru studiul bolilor devastatoare care afectează trunchiul cerebral, cum ar fi atrofia musculară spinală (cunoscută și sub numele de SMA) și scleroza laterală amiotrofică (cunoscută și sub numele de ALS sau boala Lou Gehrig).

„Am arătat pentru prima dată că partea din față a creierului provine dintr-o celulă progenitoare total diferită de partea din spate a creierului", a declarat Kyle Loh, PhD, profesor asociat de biologie dezvoltamentală. „Descoperirea noastră înseamnă că acum putem crește neuroni din partea din spate a creierului, cerebelul, într-o farfurie de petri și studia funcțiile lor."

Rezultatele au fost publicate în Nature Neuroscience pe 18 septembrie. Loh este autorul principal. Studentele de doctorat Carolyn Dundes și Rayyan Jokhai sunt co-autori principali ai cercetării.

Două creiere

Creierul adult are trei regiuni principale: creierul anterior, creierul mijlociu și creierul posterior. Cortexul cerebral se ocupă de gândirea de nivel superior - limbaj, conștiință și raționament abstract. În contrast, creierul posterior, situat în partea din spate a craniului și adesea numit trunchiul cerebral, controlează funcții esențiale și automate care ne mențin în viață: respirația, somnul și reglarea bătăilor inimii și a senzațiilor de foame. Neuronii din trunchiul cerebral controlează, de asemenea, mușchii feței, limbii și gâtului, care afectează vorbirea și înghițirea.

În ciuda importanței critice a trunchiului cerebral, oamenii de știință s-au luptat timp de decenii să genereze neuroni umani din trunchiul cerebral în laborator. Această lacună a împiedicat cercetarea bolilor devastatoare care afectează trunchiul cerebral, inclusiv atrofia musculară spinală și scleroza laterală amiotrofică.

SMA este o cauză genetică principală de deces la copiii sub 1 an. ALS, care este adesea diagnosticată între vârstele de 40 și 70 de ani, afectează atât creierul anterior, cât și creierul posterior. În ambele tulburări, anumiți neuroni din trunchiul cerebral încetează treptat să funcționeze, iar pacientul își pierde capacitatea de a înghiți, ceea ce poate provoca pneumonie atunci când alimentele sau lichidele sunt inhalate în plămâni; în cele din urmă, pacienții își pierd capacitatea de a respira.

Descoperirea cercetătorilor a venit din studiul primelor momente ale dezvoltării embrionare, în timpul unei etape numite gastrulație, când corpul începe să prindă formă. Jokhai și Dundes au descoperit că creierul posterior urmează un parcurs de dezvoltare separat, mergând în paralel - mai degrabă decât ramificându-se din - parcursul care creează creierul anterior și creierul mijlociu.

Cercetătorii au aflat acest lucru examinând embrioni de șoareci în dezvoltare. Au identificat două celule progenitoare diferite ale creierului. Una, care exprimă un gen numit Otx2, este destinată să devină cortexul cerebral și mezencefalul. Cealaltă, care exprimă un gen numit Gbx2, este destinată formării cerebelului. Au arătat că aceste două populații de celule nu se suprapun niciodată; ele sunt exclusiv separate încă din cele mai timpurii etape ale dezvoltării.

Echipa a examinat apoi ambalajul ADN-ului, sau cromatina, în aceste celule. Chromatina este un mod prin care celulele determină care gene pot fi accesate ușor și care sunt împachetate departe de acces. Ceea ce au descoperit a fost uimitor: ectodermul neural anterior (viitorul creier anterior și mezencefal) și ectodermul neural posterior (viitorul creier posterior) au configurații fundamentale diferite ale cromatinei. Aceste diferențe au blocat esențial fiecare celulă progenitoare în soarta sa respectivă, ca niște călători pe șine paralele care nu se intersectează niciodată.

„Încercările anterioare de a crea neuroni din trunchiul cerebral au încercat probabil să convingă progenitorii din creierul anterior și mijlociu să devină celule din trunchiul cerebral, ceea ce studiul nostru arată că nu este posibil," a spus Jokhai.

Această revelație a explicat zeci de ani de frustrare în domeniu - oamenii de știință încercau să transforme un tip de celulă progenitoare într-o alta în care aceasta este fundamental incapabilă să devină.

„În biologia celulelor stem, oamenii sunt mereu fixați pe crearea tipului final de celulă, cum ar fi neuronul," a spus Jokhai. „Dar este important să începem în cele mai timpurii stadii ale dezvoltării embrionare." Atenția noastră atentă la acel moment timpuriu ne-a permis să găsim această diviziune fundamentală în dezvoltarea creierului.

Creșterea neuronilor din trunchiul cerebral

Înarmați cu această cunoștință, cercetătorii au reușit pentru prima dată să convingă celulele stem pluripotente umane (un tip de celulă care poate crea orice celulă din corpul uman) să devină neuroni motori funcționali din trunchiul cerebral în laborator. Acești neuroni crescuți în laborator au prezentat toate caracteristicile celulelor autentice din trunchiul cerebral: Au prezentat unde de activitate electrică numite potențiale de acțiune și au produs proteine care identifică segmentele din trunchiul cerebral care controlează mușchii faciali și de înghițire.

În cele din urmă, cercetătorii au privit înapoi peste 550 de milioane de ani de timp evolutiv. Au găsit același model de creier cu două origini la găini; pești zebri; și, remarcabil, la viermii de ghindă, mici creaturi care trăiesc pe fundul oceanului și care au un strămoș comun îndepărtat cu oamenii. Meduzele, care s-au divergențiat de oameni acum aproximativ 600 până la 700 de milioane de ani, au două sisteme nervoase la capetele opuse ale corpului lor.

„Cercetările noastre sugerează că evoluția a luat două sisteme neuronale existente și le-a unit spațial", a spus Loh. „Având creierul ca un singur organ ar fi probabil mai eficient, dar ne bazăm pe această modalitate primordială de a forma creierul ca două piese separate."

„Am fost surprins de descoperirile noastre pentru că cuvântul 'creier' implică un organ contigu care probabil are o origine singulară," a spus Jokhai. „Dar chiar și acum 500 de milioane de ani, existau aceste sisteme neuronale separate, care acum aproape funcționează ca un întreg, ceea ce este foarte interesant."

Cercetarea are, de asemenea, implicații pentru investigarea tratamentelor pentru SMA, ALS și alte afecțiuni care afectează trunchiul cerebral. Până acum, studiul acestor boli a fost aproape imposibil deoarece oamenii de știință nu pot obține țesut din trunchiul cerebral de la pacienți vii. Capacitatea de a cultiva acești neuroni într-o farfurie deschide noi posibilități pentru a înțelege ce merge prost. Există chiar o legătură neașteptată cu tratamentul obezității: creierul posterior conține circuite care reglează foamea - ceea ce este exact modul în care funcționează medicamentele pentru slăbit, cum ar fi semaglutida.

Cercetătorii doresc să își extindă studiile pentru a determina originile dezvoltării măduvei spinării și pentru a învăța exact cum SMA și ALS compromit funcția neuronilor din trunchiul cerebral. „Acum avem un model pentru a înțelege mai bine aceste boli devastatoare și pentru a lucra la terapii regenerative pentru ele," a spus Jokhai. „Aceasta este o frontieră foarte interesantă în cercetarea creierului."