Creierul uman ar putea avea două origini distincte. Descoperirea cercetătorilor schimbă o ipoteză veche de zeci de ani

O cercetare realizată de oamenii de știință de la Stanford Medicine contestă una dintre ipotezele tradiționale despre dezvoltarea creierului. Studiul arată că partea anterioară și partea posterioară a creierului pornesc, încă din primele etape ale dezvoltării embrionare, de la populații distincte de celule progenitoare.

Timp de zeci de ani, dezvoltarea creierului a fost privită ca un proces pornit dintr-o populație comună de celule progenitoare. O nouă cercetare condusă de Stanford Medicine propune însă o perspectivă diferită: creierul uman ar putea reuni două sisteme nervoase foarte vechi, care au urmat căi de dezvoltare separate încă de la început.

Descoperirea nu schimbă doar modul în care oamenii de știință privesc evoluția creierului, ci ar putea avea și o utilitate practică. Cercetătorii au reușit, pornind de la această nouă perspectivă, să obțină în laborator neuroni funcționali proveniți din partea posterioară a creierului uman. Modelul ar putea fi folosit în viitor pentru studierea unor boli neurologice grave.

Creierul anterior și creierul posterior au drumuri diferite

La adult, creierul este împărțit în mai multe regiuni cu roluri distincte. Creierul anterior este implicat în procese complexe precum limbajul, conștiința și raționamentul, în timp ce structurile situate posterior contribuie la controlul unor funcții esențiale pentru supraviețuire.

Trunchiul cerebral, care face parte din această regiune posterioară, participă la reglarea unor procese automate precum respirația, ritmul cardiac și somnul. Tot aici se află neuroni care controlează mușchii implicați în mișcările feței, limbii și gâtului, cu rol inclusiv în vorbire și înghițire.

Potrivit cercetătorilor de la Stanford, cele două regiuni nu sunt doar diferite ca funcție, ci își încep dezvoltarea din populații de celule distincte.

„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.

Studiul, publicat în revista Nature Neuroscience la 18 septembrie, indică faptul că diferențierea apare foarte devreme în dezvoltarea embrionară, în timpul gastrulației, etapa în care începe să se contureze structura de bază a organismului.

Citește și: Al doilea creier al organismului se află în sistemul digestiv. Cum influențează intestinele sănătatea, emoțiile și starea de bine

Au fost urmărite două populații de celule

Pentru a înțelege mai bine procesul, echipa de cercetători a analizat embrioni de șoarece aflați în dezvoltare. Oamenii de știință au identificat două populații de celule progenitoare care urmau trasee diferite.

Prima populație exprimă gena Otx2 și este destinată formării creierului anterior și a creierului mijlociu. Cea de-a doua exprimă Gbx2 și contribuie la dezvoltarea creierului posterior. Un aspect important al observațiilor a fost că aceste două populații au rămas separate chiar și în cele mai timpurii momente ale dezvoltării analizate.

Cercetătorii au studiat apoi și cromatina, structura care organizează ADN-ul în interiorul celulelor și influențează accesul la gene. Analiza a arătat diferențe importante între celulele care urmau să formeze creierul anterior și mijlociu și cele destinate creierului posterior.

Cu alte cuvinte, diferențele dintre cele două regiuni nu apar târziu, după ce creierul este deja format. Ele sunt programate încă dintr-o etapă foarte timpurie a dezvoltării embrionare.

„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.

Neuronii creierului posterior în laborator

Descoperirea are o implicație importantă pentru cercetarea celulelor stem. Oamenii de știință au încercat timp îndelungat să producă în laborator neuroni care să reproducă proprietățile celor din creierul posterior, însă rezultatele au fost limitate.

Motivul ar putea fi tocmai abordarea folosită: încercarea de a transforma celule aflate deja pe o cale de dezvoltare specifică creierului anterior în neuroni ai creierului posterior. Studiul de la Stanford sugerează că problema trebuie abordată mult mai devreme, chiar de la primele etape ale dezvoltării celulare.

„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.”

Pornind de la această informație, cercetătorii au reușit să transforme celule stem pluripotente umane în neuroni motori funcționali ai creierului posterior.

Aceste celule au prezentat caracteristici întâlnite la neuronii reali. Ele au produs semnale electrice, numite potențiale de acțiune, și au exprimat proteine asociate unor regiuni ale creierului posterior implicate în controlul mușchilor feței și al celor necesari pentru înghițire.

Citește și: „Mini-creierele” crescute în laborator au înregistrat trecerea timpului. Cercetătorii au făcut o descoperire surprinzătoare

Descoperirea ar putea ajuta la cercetarea SLA

Rezultatul este important în special pentru studiul unor boli în care sunt afectați neuronii motori.

Atrofia musculară spinală (AMS) este o boală genetică severă care afectează neuronii motori, în timp ce scleroza laterală amiotrofică (SLA) determină deteriorarea progresivă a neuronilor motori din creier și măduva spinării.

În cazul acestor afecțiuni, cercetătorii au nevoie de modele de laborator cât mai apropiate de celulele umane reale pentru a putea observa mecanismele bolii și pentru a testa potențiale tratamente.

Una dintre probleme este accesul extrem de limitat la țesutul uman din trunchiul cerebral. Acesta nu poate fi prelevat în mod obișnuit de la persoane aflate în viață pentru cercetare. Crearea unor neuroni ai creierului posterior din celule stem ar putea, prin urmare, să ofere oamenilor de știință un model experimental pe care până acum l-au obținut cu dificultate.

În cazul SLA, pe măsură ce boala evoluează, afectarea neuronilor motori poate duce la slăbiciune musculară și la probleme de vorbire, înghițire și respirație. Aceste manifestări fac ca studiul neuronilor implicați să fie esențial pentru înțelegerea mecanismelor bolii.

Creierul posterior are rol în reglarea apetitului

Cercetătorii atrag atenția că importanța creierului posterior nu se limitează la controlul respirației sau al mișcărilor necesare vorbirii și înghițirii.

Această regiune conține și circuite neuronale implicate în reglarea senzației de foame și a comportamentului alimentar. Tocmai de aceea, este relevantă și în cercetarea mecanismelor prin care organismul controlează greutatea corporală.

Unele dintre aceste circuite sunt influențate de medicamente utilizate în prezent pentru scăderea în greutate, inclusiv medicamente din categoria agoniștilor receptorului GLP-1, precum semaglutida.

Totuși, rezultatul studiului nu înseamnă că oamenii de știință au descoperit o nouă metodă de slăbit. Legătura este una de cercetare: înțelegerea mai precisă a neuronilor din creierul posterior poate contribui la studierea circuitelor care controlează apetitul și alte funcții fiziologice.

Aceeași logică se aplică și măduvei spinării?

Echipa de la Stanford intenționează să continue cercetările pentru a afla mai multe despre originea dezvoltării măduvei spinării și despre modul în care bolile neurodegenerative afectează neuronii proveniți din regiunea posterioară a creierului.

Faptul că oamenii de știință pot produce acum în laborator astfel de neuroni oferă posibilitatea de a urmări mai îndeaproape procese care, până acum, erau dificil de observat direct în țesutul uman.

„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.”