Ученые выяснили, что наш мозг начинается как две совершенно разные системы

Мы привыкли воспринимать мозг как единый орган: около полутора килограммов нервной ткани, заключенной внутри черепа и связанной миллиардами нейронов. Но исследование Стэнфордской медицинской школы показывает, что эта цельность может быть обманчива. На самых ранних стадиях развития будущий мозг формируется не из одного универсального источника. У него обнаружились две отдельные популяции клеток-предшественников, которые с самого начала идут разными путями.

Различие проходит примерно между передней и задней частями мозга. Одна клеточная линия создает передний и средний мозг – области, из которых впоследствии развиваются структуры, участвующие в восприятии, памяти, языке, сознании и сложном мышлении. Другая независимо формирует задний мозг, связанный с жизненно важными автоматическими функциями: дыханием, сердечным ритмом, сном, глотанием, движениями лица и регуляцией аппетита.

Это гораздо больше, чем анатомическое разделение взрослого органа. Десятилетиями в биологии развития преобладала модель, согласно которой ранний общий нейральный предшественник постепенно получает разные инструкции и производит различные отделы мозга. Новые эксперименты показывают другую картину: разделение возникает уже тогда, когда будущая нервная система только начинает формироваться.

Исследователи проследили этот процесс у эмбрионов мышей во время гаструляции – чрезвычайно ранней стадии, когда организм еще только намечает основные части своего тела. Обнаружились две группы клеток. Первая экспрессирует ген Otx2 и дает начало переднему и среднему мозгу. Вторая характеризуется Gbx2 и формирует задний мозг. Главное наблюдение состояло в том, что эти популяции практически не смешиваются.

Разница оказалась записана даже глубже – в организации хроматина. ДНК внутри ядра не лежит свободной нитью: она упакована вместе с белками, причем степень доступности разных участков определяет, какие гены клетка способна активно использовать. У двух типов ранних нейральных предшественников эта упаковка заметно различалась. Иными словами, клетки не просто находились в разных местах – их молекулярная программа уже направляла их по разным траекториям.

Это открытие неожиданно объясняет проблему, с которой нейробиологи сталкивались десятилетиями. Ученые научились выращивать множество типов человеческих нейронов из плюрипотентных стволовых клеток, однако получение некоторых нейронов заднего мозга оставалось чрезвычайно трудной задачей. Возможно, исследователи пытались начать путешествие не с той станции.

Если клетка уже стала предшественником переднего мозга, одних поздних химических сигналов может оказаться недостаточно, чтобы надежно превратить ее в клетку заднего мозга. Поэтому команда вернулась к самому началу развития и сначала создала правильный тип предшественника. После этого человеческие плюрипотентные стволовые клетки удалось направить к функциональным двигательным нейронам заднего мозга.

Полученные клетки оказались не просто внешне похожими на нужные нейроны. Они производили характерные белки и генерировали потенциалы действия – электрические импульсы, которыми настоящие нейроны передают информацию. Среди них были клетки, соответствующие участкам заднего мозга, управляющим мышцами лица и участвующим в глотании.

Практическое значение этого результата трудно переоценить. Ствол мозга нельзя просто взять на биопсию у живого человека ради эксперимента. Между тем именно его двигательные нейроны страдают при тяжелых заболеваниях, включая спинальную мышечную атрофию и боковой амиотрофический склероз. Когда нарушается работа соответствующих нервных цепей, человеку становится трудно глотать и дышать.

Теперь исследователи получают возможность выращивать нужные человеческие нейроны в лаборатории, наблюдать развитие патологических изменений и проверять потенциальные методы лечения непосредственно на соответствующем типе клеток. Это пока исследовательская модель, а не готовая терапия, но она устраняет одно из серьезных технических препятствий нейробиологии.

Еще интереснее эволюционная часть работы. Подобное разделение исследователи обнаружили не только у мышей. Сходная организация прослеживается у кур, рыб данио-рерио и желудевых червей – морских животных, чей общий предок с позвоночными существовал более полумиллиарда лет назад. Значит, принцип разделения передней и задней нервных систем чрезвычайно древний.

Еще более далекая параллель обнаруживается у медуз. У них нет мозга человеческого типа, зато существуют пространственно разделенные нервные системы, выполняющие разные задачи. Это позволяет рассматривать заманчивый эволюционный сценарий: возможно, сложный мозг позвоночных возник не просто путем последовательного усложнения одного центра, а благодаря пространственному сближению очень древних нервных программ.

Однако здесь необходимо соблюдать осторожность. Исследование убедительно демонстрирует разные клеточные источники переднего-среднего и заднего мозга и обнаруживает древность такого разделения у различных животных. Но утверждение, что две части человеческого мозга когда-то существовали как полностью независимые органы и затем буквально слились, является эволюционной интерпретацией, а не прямым наблюдением событий полумиллиардной давности.

Открытие любопытно еще по одной причине. Задний мозг иногда воспринимают как примитивную автоматику организма на фоне коры больших полушарий, обеспечивающей сложное мышление. На самом деле без этой древней системы никакого сознательного человека просто не существовало бы. Она непрерывно управляет дыханием, сердцем, сном, глотанием и множеством процессов, которые мы почти никогда не замечаем.

Даже современные препараты неожиданно пересекаются с этой древней архитектурой. В заднем мозге находятся нервные цепи, участвующие в контроле голода и насыщения, на которые воздействуют метаболические сигналы, связанные в том числе с механизмами действия препаратов класса GLP-1. Поэтому понимание происхождения и работы этих нейронов важно далеко не только для редких неврологических заболеваний.

Внешне человеческий мозг остается одним органом, части которого теснейшим образом взаимодействуют. Но на уровне эмбрионального развития его история оказалась гораздо необычнее. То, что во взрослом человеке работает как единая нервная система, начинается с двух молекулярно различных клеточных маршрутов. И, возможно, именно в этой древней границе скрывается ключ не только к происхождению мозга, но и к тому, как научиться точнее воспроизводить его клетки в лаборатории.