Согласно прежним представлениям, все отделы мозга формировались из единого общего источника на ранних стадиях эмбрионального развития. Однако исследователи из Стэнфордского университета выяснили, что в развитии мозга участвуют две различные популяции клеток-предшественников. Они возникают одновременно, но обладают разными генетическими программами, определяющими развитие различных отделов мозга.
Согласно исследованию, в развитии мозга объединяются две древние нервные системы: одна связана с жизненно важными функциями, включая дыхание и сердцебиение, а другая отвечает за когнитивные способности, абстрактное мышление и самосознание.
Но как формируются эти два различных направления в процессе эмбрионального развития?
Нервная эктодерма — это ранняя эмбриональная ткань, из которой развиваются головной мозг и нервная система. Эксперименты на эмбрионах мышей, в рамках которых ученые проследили пути дифференцировки клеток, показали, что на ранней стадии развития — еще в фазе гаструляции — синхронно появляются две популяции предшественников нервной эктодермы: передняя и задняя.
Передняя нервная эктодерма дает начало переднему и среднему мозгу, а задняя — заднему (ромбовидному) мозгу. В них активируются разные гены: в передней нервной эктодерме — Otx2, а в задней — Gbx2. Различная генетическая активность направляет их развитие по разным траекториям.
Различия не ограничиваются только активностью генов. Исследователи также изучили хроматин — структуру в клеточном ядре, в которую упакована ДНК. Организация хроматина влияет на то, какие гены клетка способна активировать или подавлять. Оказалось, что передняя и задняя нервная эктодерма имеют различную архитектуру хроматина, соответствующую их траекториям развития с самых ранних этапов. Таким образом, будущее назначение клеток предопределяется еще до того, как сформируются конкретные отделы мозга.
Как это открытие помогло исследователям получить нейроны?
Одним из важнейших результатов исследования стало получение моторных нейронов заднего мозга из плюрипотентных стволовых клеток человека — в частности, мотонейронов, характерных для 5-го и 6-го сегментов (ромбомеров) заднего мозга, которые участвуют в мимических движениях лица и глотании. До сих пор получение нейронов этого типа в лабораторных условиях представляло значительную сложность. Однако расшифровка ранней генетической программы развития позволила исследователям получить клетки, воспроизводящие электрические импульсы и функциональные характеристики этих моторных нейронов.
Кроме того, открытие открывает новые перспективы в изучении нейродегенеративных заболеваний: спинальной мышечной атрофии (СМА) и бокового амиотрофического склероза (БАС). Поскольку при таких патологиях поражаются именно моторные нейроны, их лабораторные аналоги позволяют наблюдать за механизмами болезни и тестировать новые фармакологические препараты.
Примечательно, что аналогичную картину ученые обнаружили и у эволюционно удаленных организмов, включая рыб, птиц и полухордовых (кишечнодышащих) — морских беспозвоночных, имеющих с человеком общего далекого предка. По их предположению, эти две популяции предшественников эволюционно сохраняются на протяжении примерно 550 миллионов лет.
