Creierul, format de fapt din două sisteme nervoase unite? Un nou studiu spune că da

Creierul s-ar putea forma nu dintr-o singură sursă de celule, cum se credea, ci din două populații distincte. Concluzia unui nou studiu pune la îndoială una dintre ideile consacrate despre dezvoltarea creierului și lasă loc unei ipoteze pe care chiar autorii o tratează cu prudență: cele două surse ar fi putut aparține cândva unor sisteme nervoase separate, unite abia mai târziu în evoluție.

„Creierul pare a fi un singur organ. Am descoperit însă că partea din față a creierului și cea din spate provin din surse diferite, care sunt împinse una lângă alta și dau astfel impresia unui singur organ”, a declarat Kyle Loh, profesor asociat de biologie a dezvoltării la Universitatea Stanford și coautor al studiului.

Rezultatele au fost publicate în septembrie în revista Nature Neuroscience. Pe lângă faptul că pun sub semnul întrebării modelele acceptate despre formarea creierului, ele ar putea explica de ce cercetătorilor le-a fost greu să cultive în laborator anumite tipuri de celule cerebrale. Potrivit oamenilor de știință, cercetarea ar putea oferi și noi metode de a studia bolile care afectează trunchiul cerebral, „tija” care leagă creierul de măduva spinării.

Creierul posterior, greu de crescut în laborator

Creierul uman are trei regiuni principale, cu funcții diferite, dar legate între ele. În față se află creierul anterior (prozencefalul), care include emisferele cerebrale și este implicat în procesele cognitive complexe, precum limbajul, planificarea și gândirea abstractă. Urmează creierul mijlociu (mezencefalul), partea superioară a trunchiului cerebral, care leagă regiunea din față de cea din spate și funcționează ca o stație de releu importantă pentru informațiile senzoriale și pentru controlul mișcării. În spate se află creierul posterior (rombencefalul), care cuprinde partea inferioară a trunchiului cerebral, alături de alte structuri. Contribuie și el la coordonarea mișcării, dar și la reglarea unor funcții esențiale, precum respirația, somnul și ritmul cardiac.

Tocmai această regiune a fost mult timp greu de studiat, în parte pentru că oamenii de știință s-au lovit constant de dificultăți când au încercat să obțină în laborator neuroni funcționali ai creierului posterior.

Două populații de celule, două drumuri separate

Ca să înțeleagă de ce, Loh și echipa lui au analizat primele etape ale dezvoltării embrionare la șoarecii de laborator. S-au concentrat pe gastrulație, momentul în care celulele încep să se organizeze în structurile din care se vor forma ulterior diferitele organe. În această etapă, cercetătorii au identificat două populații distincte de celule imature din care urma să se dezvolte țesutul sistemului nervos, inclusiv creierul.

Celulele din prima populație exprimau gena Otx2, care ajută la dirijarea dezvoltării timpurii a creierului anterior și a celui mijlociu. Cele din al doilea grup exprimau gena Gbx2, implicată în dezvoltarea creierului mijlociu și a celui posterior.

Rolul acestor gene era deja cunoscut. Nou este faptul că fiecare se exprimă într-un alt grup de celule, iar pe măsură ce s-au transformat în țesut nervos matur, cele două populații au rămas distincte, fără să se suprapună.

Echipa a analizat și cromatina, structura moleculară care împachetează strâns ADN-ul în nucleu și ajută la reglarea genelor pe care o celulă le poate folosi. Cele două populații au configurații diferite ale cromatinei, un argument în plus pentru ideea că urmează căi de dezvoltare separate.

Asta ar putea explica de ce încercările de a cultiva neuroni ai creierului posterior au eșuat în mare parte. „Încercările anterioare au căutat probabil să transforme progenitorii creierului anterior și ai celui mijlociu în celule ale creierului posterior. Studiul nostru arată că acest lucru nu este posibil”, a declarat Rayyan Jokhai, doctorand în laboratorul lui Loh și coautor al studiului.

Neuroni motori obținuți din celule stem umane

Pornind de la ce au aflat, cercetătorii au reușit să dirijeze transformarea unor celule stem umane în neuroni motori funcționali ai creierului posterior, implicați în controlul mișcării. Mai exact, celulele au produs proteine caracteristice unor regiuni ale creierului posterior greu de cultivat, care ajută la controlul mușchilor feței și al celor folosiți la înghițire.

Rezultatul contează pentru că, în mai multe boli neurologice, printre care atrofia musculară spinală și scleroza laterală amiotrofică, neuronii motori se degradează. Pacienții își pot pierde astfel capacitatea de a înghiți, de a vorbi și de a respira singuri.

„Nu putem preleva neuroni motori vii din creierul posterior al unui pacient ca să vedem cum îi atacă aceste boli”, a spus Loh. „Cultivarea acestor neuroni într-o placă de cultură ne oferă o cale de a investiga bolile.” Pe viitor, echipa vrea să folosească descoperirile pentru a studia aceste boli și a găsi noi tratamente.

Aceleași două grupuri de celule, de la maimuțe la viermi marini

Descoperirile ar putea spune și ceva fundamental despre evoluția vertebratelor. Autorii au verificat dacă aceste două căi de dezvoltare sunt specifice doar oamenilor sau reflectă o structură evolutivă mult mai veche. Au apelat la date publicate anterior despre alte specii, între care macacii (Macaca), peștele-zebră (Danio rerio) și găinile (Gallus gallus domesticus), și au găsit și la ele cele două populații distincte de celule care exprimă cele două gene-cheie.

Le-au găsit chiar și la viermii-ghindă, niște nevertebrate marine a căror evoluție s-a despărțit de cea a vertebratelor acum aproximativ 550 de milioane de ani.

„Descoperirea de la Stanford demonstrează că strămoșii îndepărtați ai creierului vertebratelor au o structură fundamental modulară. Separarea dezvoltării între linia anterioară (creierul anterior și cel mijlociu) și linia posterioară (creierul posterior) este, în mod evident, străveche”, a declarat Anna Di Cosmo, profesoară de biologie la Universitatea Federico II din Napoli, care nu a participat la studiu.

Două sisteme nervoase unite? Deocamdată, doar o ipoteză

Echipa lui Loh speculează că aceste traiectorii de dezvoltare, observate în uter, ar putea sugera că populațiile de celule au aparținut cândva unor sisteme nervoase separate. „Mai târziu în evoluție, aceste două sisteme nervoase ar fi putut fi unite pentru a da naștere unui creier integrat”, a spus Loh. Tot el a precizat: „Este important să subliniem că aceasta este doar o ipoteză, care s-ar putea schimba pe măsură ce oamenii de știință vor afla mai multe.”

Un creier cu două origini și o cale nouă spre bolile neuronilor motori

Ce au observat cercetătorii la embrionii de șoarece, și au regăsit apoi în datele despre alte specii, este că partea din față și cea din spate a creierului pornesc de la două grupuri distincte de celule. Fiecare grup are propriile gene active și un mod diferit de împachetare a ADN-ului, iar cele două își păstrează drumurile separate până când devin țesut nervos matur. Aceeași separare apare la macaci, la peștele-zebră și la găini, ba chiar și la viermii-ghindă.

Asta ar putea explica de ce a fost mult timp atât de dificil să se obțină în laborator neuroni ai creierului posterior: încercările porneau, probabil, de la celule din cealaltă linie, care nu se pot transforma în ei. Pornind de la această înțelegere, echipa a obținut din celule stem umane neuroni motori ai creierului posterior, cu proteinele specifice regiunilor care ajută la controlul mușchilor feței și ai înghițirii. Sunt tocmai neuronii care se degradează în boli precum atrofia musculară spinală și scleroza laterală amiotrofică. Cum nu pot fi prelevați de la pacienți vii, varianta crescută în laborator le oferă cercetătorilor o cale de a vedea cum îi atacă bolile și, pe viitor, de a căuta noi tratamente.

Cât despre ideea celor două sisteme nervoase unite cândva într-un singur creier, ea rămâne o ipoteză: studiul nu arată exact când au apărut cele două căi de dezvoltare și nici nu stabilește cum s-au integrat.

Merită să știe și alții asta?

Votează dacă ți-a plăcut articolul.

DA NU