Oamenii de ştiinţă au considerat multă vreme creierul drept un singur organ, cu o origine comună din punct de vedere al dezvoltării. O nouă cercetare condusă de Stanford Medicine pune sub semnul întrebării această ipoteză de bază, sugerând că ceea ce numim creier este, de fapt, alcătuit din două sisteme distincte care au apărut separat de-a lungul a sute de milioane de ani de evoluţie, relatează Science Daily, preluat de Agerpres.
Timp de decenii, modelul dominant susţinea că întregul creier se dezvoltă dintr-o singură populaţie de celule progenitoare timpurii. Conform acestei perspective, creierul anterior, creierul mijlociu şi creierul posterior îşi au toate originea în acelaşi punct de plecare al dezvoltării.
Noile descoperiri indică o imagine cu totul diferită. Potrivit constatărilor cercetătorilor, creierul uman pare să combine două sisteme nervoase străvechi. Unul dă naştere structurilor responsabile de funcţii esenţiale, precum respiraţia şi controlul bătăilor inimii. Celălalt produce regiuni asociate cu abilităţi precum limbajul, matematica, gândirea abstractă şi reflecţia asupra propriei noastre existenţe.
Această descoperire ar putea explica, de asemenea, o veche problemă din domeniul neuroştiinţelor: de ce cercetătorii au întâmpinat atât de multe dificultăţi în cultivarea anumitor celule cerebrale în laborator. Aceasta ar putea crea noi oportunităţi de cercetare a afecţiunilor care implică trunchiul cerebral, inclusiv atrofia musculară spinală (AMS) şi scleroza laterală amiotrofică (SLA sau boala Lou Gehrig).
„Am demonstrat pentru prima dată că partea din faţă a creierului provine dintr-o celulă progenitoare complet diferită faţă de cea din care se formează partea din spate a creierului”, a declarat Kyle Loh, profesor asociat de biologie a dezvoltării. „Descoperirea noastră înseamnă că acum putem cultiva neuroni din partea din spate a creierului, creierul posterior, într-un vas Petri şi le putem studia funcţiile”.
Rezultatele studiului au fost publicate în revista Nature Neuroscience la 18 septembrie. Loh este autorul principal al studiului, iar studenţii doctoranzi Carolyn Dundes şi Rayyan Jokhai sunt coautori principali.
Creierul uman ar putea fi format, de fapt, din două sisteme distincte
Creierul adult este împărţit în trei regiuni majore: creierul anterior, creierul mijlociu şi creierul posterior. Creierul anterior susţine multe dintre abilităţile pe care oamenii le asociază cel mai des cu gândirea complexă, inclusiv limbajul, conştiinţa şi raţionamentul abstract.
Creierul posterior, în schimb, se află în partea din spate a craniului şi este adesea denumit trunchiul cerebral. Acesta ajută la controlul proceselor automate esenţiale pentru supravieţuire, inclusiv respiraţia, somnul, reglarea bătăilor inimii şi senzaţia de foame. Neuronii din creierul posterior controlează, de asemenea, muşchii feţei, limbii şi gâtului, importanţi pentru vorbire şi înghiţire.
De ce oamenii de ştiinţă nu reuşeau să cultive anumite celule cerebrale în laborator
În pofida rolului vital al creierului posterior, oamenii de ştiinţă s-au străduit decenii la rând să creeze neuroni ai creierului posterior uman în laborator. Această limitare a îngreunat considerabil studierea bolilor grave care afectează trunchiul cerebral, inclusiv AMS şi SLA.
AMS reprezintă una dintre principalele cauze genetice de deces la copiii cu vârsta sub 1 an. SLA este adesea diagnosticată între vârstele de 40 şi 70 de ani şi afectează atât creierul anterior, cât şi creierul posterior.
În cazul ambelor boli, anumiţi neuroni din creierul posterior îşi încetează progresiv funcţionarea. Pacienţii pot ajunge să-şi piardă capacitatea de a înghiţi, ceea ce creşte riscul de pneumonie în cazul în care alimentele sau lichidele pătrund în plămâni, iar ulterior îşi pot pierde capacitatea de a respira.
Descoperirea care schimbă ce se ştia despre formarea creierului
Descoperirea cheie a survenit atunci când cercetătorii au examinat unul dintre primele stadii ale dezvoltării embrionare. În timpul gastrulaţiei, structura de bază a corpului începe să prindă contur.
Creierul posterior nu apare ca o ramificaţie ulterioară a căii de dezvoltare care dă naştere creierului anterior şi creierului mijlociu, au constatat cercetătorii. În schimb, acesta urmează propria sa cale încă de la început, dezvoltându-se în paralel cu celelalte regiuni.
Pentru a investiga acest proces, cercetătorii au studiat embrioni de şoarece aflaţi în curs de dezvoltare şi au identificat două populaţii diferite de celule progenitoare ale creierului.
O populaţie exprimă o genă numită Otx2 şi este destinată să formeze creierul anterior şi creierul mijlociu. O a doua populaţie exprimă o genă numită Gbx2 şi se dezvoltă în creierul posterior.
Cercetătorii au descoperit că cele două populaţii rămân separate şi nu se suprapun, chiar şi în cele mai timpurii stadii pe care le-au examinat.
Această distincţie a devenit şi mai clară atunci când echipa a studiat cromatina, materialul care „împachetează” ADN-ul în interiorul celulelor şi ajută la controlul genelor disponibile pentru utilizare şi al celor care rămân inaccesibile.
Ectodermul neural anterior, din care se vor forma creierul anterior şi creierul mijlociu, şi ectodermul neural posterior, din care se va forma creierul posterior, prezentau configuraţii ale cromatinei fundamental diferite. Aceste diferenţe au făcut ca celulele să urmeze căi de dezvoltare distincte încă de la început.
„Tentativele anterioare de a genera neuroni ai creierului posterior au vizat probabil transformarea progenitorilor creierului anterior şi ai creierului mijlociu în celule ale creierului posterior, ceea ce studiul nostru arată că nu este posibil”, a afirmat Rayyan Jokhai.
„În biologia celulelor stem, oamenii sunt mereu obsedaţi de crearea tipului final de celulă, cum ar fi neuronul”, a spus Jokhai. „Însă este important să începem încă din primele stadii ale dezvoltării embrionare. Atenţia noastră deosebită acordată acelui moment timpuriu ne-a permis să descoperim această divizare fundamentală în dezvoltarea creierului”, a precizat el.
Cercetătorii au reuşit, în premieră, să creeze neuroni ai creierului posterior
Odată ce oamenii de ştiinţă au aflat că partea posterioară a creierului porneşte de la o cale de dezvoltare separată, ei au putut folosi această informaţie pentru a rezolva o provocare majoră întâlnită în laborator.
Pentru prima dată, echipa a reuşit să transforme cu succes celule stem pluripotente umane, un tip de celule care pot genera orice tip de celulă din corpul uman, în neuroni motori funcţionali ai creierului posterior.
Celulele s-au comportat ca nişte neuroni autentici ai creierului posterior. Ele au generat semnale electrice cunoscute sub numele de potenţiale de acţiune şi au produs proteine asociate cu regiuni specifice ale creierului posterior care controlează muşchii faciali şi pe cei implicaţi în înghiţire.
Ce ar putea însemna descoperirea pentru SLA şi atrofia musculară spinală
Această cercetare ar putea avea implicaţii importante pentru oamenii de ştiinţă care studiază AMS, SLA şi alte afecţiuni care afectează trunchiul cerebral.
Un obstacol major l-a reprezentat accesul la ţesutul uman. Probele de trunchi cerebral nu pot fi prelevate de la pacienţi în viaţă în scopul cercetării de rutină, ceea ce face extrem de dificilă examinarea directă a neuronilor afectaţi.
Capacitatea de a cultiva neuroni din creierul posterior ar putea permite oamenilor de ştiinţă să studieze cu o precizie mult mai mare ce anume nu funcţionează corect în cazul acestor boli.
Creierul posterior este implicat, de asemenea, într-un alt domeniu important al medicinei: controlul greutăţii. El conţine circuite neuronale ce reglează senzaţia de foame, care se numără printre sistemele influenţate de medicamentele pentru slăbit, precum semaglutida.
Cercetătorii doresc să investigheze mai departe originea măduvei spinării din punct de vedere al dezvoltării şi să determine mai precis modul în care AMS şi SLA afectează neuronii din creierul posterior.
„Acum dispunem de un model care ne permite să înţelegem mai bine aceste boli devastatoare şi 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 el.