Creierul uman ar putea fi format, de fapt, din două organe distincte. Studiu

O cercetare condusă de Stanford Medicine pune sub semnul întrebării una dintre ipotezele tradiționale privind dezvoltarea creierului. Oamenii de știință au descoperit că partea anterioară și partea posterioară a creierului provin din două populații distincte de celule progenitoare, ceea ce sugerează că aceste două sisteme nervoase au urmat căi de dezvoltare separate încă din primele etape ale dezvoltării embrionare.

Până acum, modelul dominant susținea că întregul creier se dezvoltă dintr-o singură populație de celule progenitoare timpurii. Conform acestei teorii, creierul anterior, creierul mijlociu și creierul posterior aveau aceeași origine în dezvoltarea embrionară.

Noile rezultate indică însă faptul că ceea ce numim creier ar putea combina două sisteme nervoase străvechi, apărute separat de-a lungul a sute de milioane de ani de evoluție.

Unul dintre aceste sisteme contribuie la formarea structurilor responsabile pentru funcții esențiale supraviețuirii, precum respirația și controlul bătăilor inimii. Celălalt formează regiuni implicate în abilități precum limbajul, matematica, gândirea abstractă și reflecția asupra propriei existențe.

Creierul anterior și creierul posterior urmează căi diferite de dezvoltare

Creierul adult este împărțit în trei regiuni majore: creierul anterior, creierul mijlociu și creierul posterior.

Creierul anterior susține numeroase funcții asociate cu gândirea complexă, printre care limbajul, conștiința și raționamentul abstract.

Creierul posterior se află în partea din spate a craniului și este asociat cu trunchiul cerebral. Acesta contribuie la controlul unor procese automate esențiale pentru supraviețuire, inclusiv respirația, somnul, reglarea bătăilor inimii și senzația de foame. Neuronii din această regiune controlează și mușchii feței, limbii și gâtului, implicați în vorbire și înghițire.

Potrivit cercetătorilor, creierul posterior nu apare ca o ramificație ulterioară a aceleiași căi de dezvoltare care formează creierul anterior și creierul mijlociu. El urmează propria cale încă de la început, dezvoltându-se în paralel cu celelalte regiuni.

„Am demonstrat pentru prima dată că partea din față a creierului provine dintr-o celulă progenitoare complet diferită față de cea din care se formează partea din spate a creierului”, a declarat Kyle Loh, profesor asociat de biologie a dezvoltării și autor principal al studiului.

Două populații de celule identificate în dezvoltarea embrionară

Descoperirea a fost posibilă după ce cercetătorii au analizat unul dintre cele mai timpurii stadii ale dezvoltării embrionare, gastrulația, moment în care structura de bază a corpului începe să se formeze.

Echipa a studiat embrioni de șoarece aflați în dezvoltare și a identificat două populații distincte de celule progenitoare ale creierului.

Prima populație exprimă gena Otx2 și este destinată să formeze creierul anterior și creierul mijlociu. A doua populație exprimă gena Gbx2 și se dezvoltă în creierul posterior.

Cele două populații au rămas separate și nu s-au suprapus nici în cele mai timpurii stadii de dezvoltare analizate de cercetători.

Diferențele au devenit și mai clare atunci când oamenii de știință au analizat cromatina, materialul care împachetează ADN-ul în interiorul celulelor și contribuie la controlul genelor care pot fi activate și al celor care rămân inaccesibile.

Ectodermul neural anterior, din care se dezvoltă creierul anterior și creierul mijlociu, și ectodermul neural posterior, care formează creierul posterior, prezentau configurații ale cromatinei fundamental diferite. Aceste diferențe determină celulele să urmeze căi distincte încă de la începutul dezvoltării.

„Tentativele anterioare de a genera neuroni ai creierului posterior au vizat probabil transformarea progenitorilor creierului anterior și ai creierului mijlociu în celule ale creierului posterior, ceea ce studiul nostru arată că nu este posibil”, a afirmat Rayyan Jokhai, coautor principal al cercetării.

Cercetătorul a explicat că, în biologia celulelor stem, atenția este concentrată frecvent asupra obținerii tipului final de celulă, precum neuronul. Studiul arată însă importanța etapelor foarte timpurii ale dezvoltării embrionare.

„În biologia celulelor stem, oamenii sunt mereu obsedați de crearea tipului final de celulă, cum ar fi neuronul. Însă, este important să începem încă din primele stadii ale dezvoltării embrionare. Atenția noastră deosebită acordată acelui moment timpuriu ne-a permis să descoperim această divizare fundamentală în dezvoltarea creierului”, a spus Jokhai.

Cercetătorii au reușit să creeze neuroni ai creierului posterior

Descoperirea originii distincte a creierului posterior le-a permis cercetătorilor să abordeze o problemă care a limitat timp de decenii studiul acestei regiuni.

În laborator, oamenii de știință au întâmpinat dificultăți în obținerea neuronilor umani ai creierului posterior. Această limitare a îngreunat cercetarea unor boli grave care afectează trunchiul cerebral.

Folosind informațiile despre dezvoltarea embrionară, echipa a reușit pentru prima dată să transforme celule stem pluripotente umane în neuroni motori funcționali ai creierului posterior.

Celulele stem pluripotente pot genera diferite tipuri de celule din organism. În cadrul experimentului, celulele obținute au prezentat caracteristici specifice neuronilor autentici ai creierului posterior.

Acestea au produs semnale electrice cunoscute drept potențiale de acțiune și au exprimat proteine asociate cu regiuni ale creierului posterior care controlează mușchii feței și mușchii implicați în înghițire.

Potrivit lui Loh, această reușită înseamnă că cercetătorii pot cultiva neuroni ai creierului posterior într-un vas de laborator și le pot studia funcțiile.

Posibile implicații pentru cercetarea AMS și SLA

Rezultatele ar putea avea implicații pentru cercetarea unor boli care afectează trunchiul cerebral, printre care atrofia musculară spinală (AMS) și scleroza laterală amiotrofică (SLA), cunoscută și sub numele de boala Lou Gehrig.

AMS este una dintre principalele cauze genetice de deces la copiii cu vârsta sub un an. SLA este diagnosticată cel mai frecvent între 40 și 70 de ani și afectează atât creierul anterior, cât și creierul posterior.

În ambele boli, anumiți neuroni ai creierului posterior își pierd progresiv funcția. Pe măsură ce boala evoluează, pacienții își pot pierde capacitatea de a înghiți. Acest lucru crește riscul de pneumonie atunci când alimentele sau lichidele ajung în plămâni. Ulterior, poate fi afectată și capacitatea de a respira.

Unul dintre obstacolele cercetării este accesul limitat la țesutul uman. Probele de trunchi cerebral nu pot fi recoltate de la pacienți aflați în viață pentru cercetarea de rutină, ceea ce face dificilă examinarea directă a neuronilor afectați de aceste boli.

Posibilitatea de a cultiva neuroni ai creierului posterior în laborator ar putea permite cercetătorilor să studieze mai precis mecanismele prin care apar aceste afectări.

„Acum dispunem de un model care ne permite să înțelegem mai bine aceste boli devastatoare și să lucrăm la dezvoltarea unor terapii regenerative pentru acestea”, a declarat Rayyan Jokhai. „Aceasta reprezintă o nouă frontieră extrem de interesantă în cercetarea creierului”, a precizat cercetătorul.

Creierul posterior și controlul greutății

Creierul posterior are un rol important și în reglarea senzației de foame. În această regiune se află circuite neuronale implicate în controlul apetitului, care se numără printre sistemele asupra cărora acționează medicamente pentru scădere în greutate, inclusiv semaglutida.

Cercetătorii intenționează să continue studiile asupra originii măduvei spinării din perspectiva dezvoltării embrionare și să investigheze mai precis modul în care AMS și SLA afectează neuronii creierului posterior.

Rezultatele cercetării conduse de Stanford Medicine au fost publicate în revista Nature Neuroscience la 18 septembrie. Kyle Loh este autorul principal al studiului, iar Carolyn Dundes și Rayyan Jokhai sunt coautori principali.