Учёные из Stanford Medicine обнаружили, что разные части мозга формируются из двух отдельных популяций клеток-предшественников, которые расходятся уже на самых ранних этапах эмбрионального развития. Передний и средний мозг возникают из одной линии клеток, задний мозг из другой. Авторы предполагают, что привычный нам мозг мог появиться в результате эволюционного сближения двух гораздо более древних нервных систем. Исследование опубликовано 18 сентября в Nature Neuroscience.
До сих пор распространённая модель предполагала общего раннего предшественника, от которого постепенно отделяются будущие области мозга. Команда под руководством биолога развития Кайла Ло получила другую картину. Исследователи проследили развитие эмбрионов мышей и обнаружили две популяции клеток, которые возникают параллельно во время гаструляции и с самого начала имеют разную судьбу.
Клетки будущего переднего и среднего мозга экспрессировали ген Otx2, тогда как предшественники заднего мозга были связаны с Gbx2. Две группы не перекрывались. Анализ хроматина также показал разные схемы доступности генов, которые заранее направляют клетки по одному из двух путей развития. По данным авторов, превратить одного такого предшественника в другой после разделения уже нельзя.
Исследователи проверили выводы и на человеческих плюрипотентных стволовых клетках. При правильном выборе самого раннего пути развития команда смогла получить клетки переднего и среднего мозга отдельно от клеток заднего мозга. Затем учёные впервые вырастили функциональные моторные нейроны конкретных сегментов заднего мозга, известных как ромбомеры 5 и 6. Клетки генерировали потенциалы действия и несли молекулярные признаки нейронов, управляющих мышцами лица и глотки.
Практическая часть работы может оказаться не менее значимой, чем пересмотр модели развития мозга. Получать достоверные нейроны заднего мозга в лаборатории долгое время было сложно. Новый метод даёт исследователям клеточную модель для изучения заболеваний, при которых страдают такие нейроны, включая спинальную мышечную атрофию и боковой амиотрофический склероз. До клинических методов лечения работа пока не дошла.
Самый необычный вывод появился после сравнения результатов с развитием других животных. Похожие передний и задний пути исследователи нашли у кур, рыб данио и желудевых червей. Последние относятся к полухордовым и разошлись с предками позвоночных сотни миллионов лет назад. Авторы считают, что разделение двух нервных систем могло существовать уже около 550 млн лет назад.
Отсюда команда предлагает эволюционную гипотезу. Вместо появления единого мозга с последующим разделением на области эволюция могла сблизить две уже существовавшие нервные системы и со временем объединить их анатомически. Кайл Ло описывает процесс именно как пространственное сближение двух древних систем. Сама статья формулирует вывод осторожнее и называет мозг «составным органом», происходящим от двух ограниченных по клеточной линии предшественников.
Работа не означает, что внутри человеческой головы буквально находятся два самостоятельных мозга. У взрослого человека структуры работают как тесно связанная единая система. Исследование показывает другое, анатомически цельный орган может иметь два глубоко разных эмбриональных и, вероятно, эволюционных истока.
