Исследователи из Стэнфордского университета пришли к выводу, что мозг человека представляет собой не единый орган с общим происхождением, а совокупность двух различных нервных систем, которые сформировались независимо друг от друга в ходе эволюции на протяжении сотен миллионов лет. Ранее в науке господствовало представление, согласно которому все отделы мозга — передний, средний и задний — развиваются из одной и той же группы клеток-предшественников. Новые данные ставят эту модель под сомнение.
Согласно результатам работы, одна из этих древних систем даёт начало структурам, отвечающим за жизненно важные функции, такие как дыхание и регуляция сердечного ритма. Другая формирует области, связанные с языком, математическими способностями, абстрактным мышлением и способностью размышлять о собственном существовании. Это открытие может объяснить, почему учёным долгое время не удавалось выращивать в лабораторных условиях определённые клетки мозга.
«Мы впервые показали, что передняя часть мозга происходит от совершенно иных клеток-предшественников, чем задняя», — заявил Кайл Ло, доктор философии, доцент кафедры биологии развития. По его словам, это означает, что теперь можно выращивать нейроны заднего отдела мозга, то есть ромбовидного мозга, в чашке Петри и изучать их функции. Результаты исследования будут опубликованы в журнале Nature Neuroscience 18 сентября. Ло является старшим автором работы, а аспиранты Кэролин Дандес и Райян Джохай — соавторами.
Ключевое открытие было сделано при изучении одной из самых ранних стадий эмбрионального развития — гаструляции, когда закладывается базовая структура тела. Выяснилось, что задний мозг не является ответвлением пути развития переднего и среднего мозга, а следует собственной траектории с самого начала. Исследователи обнаружили две популяции клеток-предшественников: одна экспрессирует ген Otx2 и даёт начало переднему и среднему мозгу, другая экспрессирует ген Gbx2 и формирует задний мозг. Эти популяции остаются раздельными даже на самых ранних изученных стадиях.
Различие стало ещё очевиднее при анализе хроматина — материала, упаковывающего ДНК и определяющего доступность генов. Передний и задний отделы нервной эктодермы имели принципиально разные конфигурации хроматина, что с самого начала задавало клеткам разные пути развития. «Предыдущие попытки создать нейроны заднего мозга, вероятно, пытались превратить предшественники переднего и среднего мозга в клетки заднего, что, как показывает наше исследование, невозможно», — отметил Джохай.
Исследование также показало, что аналогичное разделение существует у кур, рыбок данио и даже у кишечнодышащих червей, а у медуз, отделившихся от линии человека около 600–700 миллионов лет назад, имеются две нервные системы на разных концах тела. По словам Ло, эволюция, вероятно, свела вместе две уже существовавшие нервные системы. «Наш мозг как единый орган, возможно, был бы эффективнее, но мы полагаемся на этот изначальный способ формирования мозга из двух отдельных частей», — сказал он. Работа открывает новые возможности для изучения бокового амиотрофического склероза (БАС) и спинальной мышечной атрофии (СМА), поскольку позволяет исследовать нейроны заднего мозга в лаборатории.