Људски мозак није један, већ два одвојена органа

Вековима су научници посматрали мозак као јединствен, целовити орган. Али ново истраживање са Станфорд универзитета открива да оно што називамо мозгом чине два различитна органа који су се развијали независно стотинама милиона година.

Ово откриће руши до сада важећи модел развоја мозга. Деценијама су истраживачи веровали у теорију да у раној фази развоја постоји само једна матична ћелија од које настаје цели мозак. Тај модел сугерисао је да сви делови мозга деле заједничко порекло у развоју, пише EurekAlert.

Нови резултати научних истраживања показују да се људски мозак састоји од два различита нервна система, вешто повезана у јединствену целину. Jедан, примарнији, управља откуцајима срца, дисањем и другим основним функцијама, док други део нас чини јединствено људским, способним за поезију, математику и размишљање о сопственом пореклу.

Ово откриће могло би да објасни зашто су се научници деценијама мучили да у лабораторији узгоје одређене типове можданих ћелија, а отвара и нове правце за проучавање тешких неуролошких болести које захватају нервне ћелије одговорне за контролу покрета, као што су спинална мишићна атрофија (позната и као СМА) и амиотрофична латерална склероза (позната и као АЛС или Лу Геригова болест).

– Први пут смо показали да предњи део мозга настаје из потпуно другачије матичне ћелије него задњи део мозга. Наше откриће значи да сада у петријевој шољици можемо да узгајамо неуроне из задњег дела мозга, односно задњег мозга, и проучавамо њихове функције – изјавио је др Кајл Ло, ванредни професор развојне биологије.

ФОТО: Only_NewPhoto/Shutterstock

Два мозга

Мозак код одраслог човека има три главна региона: предњи, средњи и задњи мозак. Предњи мозак управља размишљањем на вишем нивоу – језиком, свешћу и апстрактним закључивањем. Насупрот томе, задњи мозак, који се налази у задњем делу лобање и често се назива можданим стаблом, контролише основне, аутоматске функције које нас одржавају у животу као што су дисање, спавање, као и регулацију откуцаја срца и осећаја глади. Неурони задњег мозга такође контролишу мишиће лица, језика и грла, који утичу на говор и гутање.

Упркос кључној улози задњег мозга, научници су се деценијама суочавали с великим изазовом да у лабораторији произведу људске неуроне овог дела мозга. Тај недостатак је успоравао истраживања тешких неуродегенеративних болести које захватају мождано стабло

Спинална мишићна атрофија (СМА) један је од водећих генетских узрока смрти код деце млађе од годину дана. Са друге стране, амиотрофична латерална склероза (АЛС) најчешће се дијагностикује између 40. и 70. године живота и захвата и горње и доње моторне неуроне.

Иако се СМА и АЛС разликују по узрасту у којем се најчешће јављају и по својим узроцима, деле неке важне клиничке карактеристике. У оба поремећаја долази до постепеног пропадања моторних неурона, укључујући и оне који контролишу мишиће одговорне за гутање и дисање. Због слабљења ових мишића, пацијенти временом могу изгубити способност безбедног гутања, што повећава ризик од аспирације хране или течности у дисајне путеве и развоја аспирационе упале плућа. Са напредовањем болести, слабост респираторних мишића може довести и до прогресивног губитка способности самосталног дисања.

До овог открића истраживачи су дошли проучавајући најраније фазе ембрионалног развоја, током гаструлације, када се постављају основни план и структура будућег организма. Џокај и Дандес су открили да се задњи мозак развија независним развојним путем, паралелно са путем који доводи до формирања предњег и средњег мозга, а не као његов огранак, како се раније сматрало.

Истраживачи су до овог сазнања дошли проучавајући развој ембриона мишева. Идентификовали су две различите мождане матичне ћелије. Једна, која експримира ген под називом Отх2, предређена је да постане предњи и средњи мозак. Друга, која експримира ген Гбк2, посвећена је формирању задњег мозга. Показали су да се ове две популације ћелија никада не преклапају. Оне су међусобно искључиве од најранијих фаза развоја.

Тим је затим испитао начин на који је ДНК организована у хроматину у овим ћелијама. Хроматин одређује доступност појединих делова ДНК, чиме утиче на то који гени могу да буду активни, а који остају недоступни. Истраживачи су открили значајне разлике у организацији хроматина између предњег неуралног ектодерма, из којег настају предњи и средњи мозак, и задњег неуралног ектодерма, из којег настаје задњи мозак. Те разлике усмеравају матичне ћелије ка различитим развојним судбинама, практично их опредељујући за формирање одређених делова мозга.

– Претходни покушаји да се направe неурони задњег мозга вероватно су покушавали да принуде матичне ћелије предњег и средњег мозга да постану ћелије задњег мозга, што наша студија показује да је немогуће – рекао је Џокај.

Ово откриће је објаснило деценије фрустрације у овој области. Научници су покушавали да претворе један тип матичне ћелије у други у који она суштински није способна да се развије.

– У биологији матичних ћелија, људи су увек фокусирани на стварање крајњег типа ћелије, попут неурона Али важно је почети од најранијих фаза ембрионалног развоја. Наша пажња посвећена том раном тренутку омогућила нам је да пронађемо овај фундаментални раскол у развоју мозга – рекао је Џокај.

ФОТО: Atthapon Raksthaput/Shutterstock

Узгајање неурона задњег мозга

Наоружани овим сазнањима, истраживачи су први пут успели да у лабораторији подстакну људске плурипотентне матичне ћелије (врсту ћелије која може да створи било коју ћелију у људском телу) да постану функционални моторни неурони задњег мозга. Ови лабораторијски узгајани неурони показивали су све карактеристике аутентичних ћелија задњег мозга. Испољавали су таласе електричне активности познате као акциони потенцијали и производили протеине који идентификују сегменте задњег мозга који контролишу мишиће лица и гутања.

На крају, истраживачи су упоредили овај развојни образац кроз више од 550 милиона година еволуционе историје. Исти принцип развоја уочили су код пилића, зебрица и, што је посебно занимљиво, код хемихордата — морских животиња познатих као „жирађи“ (acorn worms), које су удаљени сродници кичмењака. Ови налази указују да се раздвајање развојних путева који воде ка предњем и средњем, односно задњем мозгу, могло очувати током веома дугог периода еволуције.

– Наше истраживање сугерише да је еволуција узела два постојећа нервна система и спојила их у простору. Имати мозак као један орган вероватно би било ефикасније, али ми се и даље ослањамо на овај примордијални начин прављења мозга као два одвојена дела – рекао је Ло.

– Изненадили су ме наши резултати јер реч „мозак“ сугерише повезан орган који вероватно има јединствено порекло. Али чак и пре 500 милиона година постојали су ови одвојени нервни системи, који сада готово функционишу као један, што је веома занимљиво – рекао је Џокај.

Ово истраживање такође има велики значај за истраживање третмана за СМА, АЛС и друга стања која погађају мождано стабло. До сада је проучавање ових болести било готово немогуће јер научници не могу да дођу до ткива можданог стабла живих пацијената. Способност узгоја ових неурона у лабораторији отвара нове могућности за разумевање шта креће проузрокује ове болести. Постоји чак и неочекивана веза са лечењем гојазности јер задњи мозак садржи кругове који регулишу осећај глади, што је управо начин на који делују лекови за мршављење попут семаглутида.

Истраживачи би желели да прошире своје студије како би утврдили развојно порекло кичмене мождине и сазнали тачно како СМА и АЛС нарушавају функцију неурона задњег мозга.

– Сада имамо модел за боље разумевање ових тешких болести и рад на регенеративним терапијама за њих. Ово је врло узбудљива нова граница у истраживању мозга – закључио је Џокај.