Cercetătorii contestă o ipoteză veche despre creier în noul studiu

Oamenii de știință au susținut mult timp că creierul reprezintă un singur organ cu o origine comună în dezvoltare. O nouă investigație condusă de Stanford Medicine ridică dubii la această noțiune fundamentală, indicând că ceea ce numim creierul este, de fapt, alcătuit din doi sisteme distincte care s-au format separat în decursul a sute de milioane de ani de evoluție, a declarat Science Daily, conform Agerpres.

În decenii, modelul dominant susținea că întregul creier se dezvoltă dintr-o singură populație de celule progenitoare timpurii. Conform acestei perspective, regiunea frontală, cea centrală și cea posteroasă provin toate din același punct de plecare al dezvoltării.

Descoperirile recente arată o imagine complet diferită. Conform cercetătorilor, creierul uman pare să fie alcătuit din două sisteme nervoase antice. Unul dintre ele produce structuri care reglează funcții vitale, cum ar fi respirația și controlul ritmului cardiac. Celălalt generează regiuni legate de abilități precum limbajul, matematica, gândirea abstractă și reflecția asupra propriei noastre existențe.

Citește și„Este unul din marile mistere nerezolvate ale științei”: Ce ne dezvăluie noile descoperiri legate de anestezia generală despre creier

Descoperirea menționată ar putea clarifica și o problemă veche din neuroștiințe: de ce cercetătorii întâmpinau atât de multe obstacole în creșterea anumitor celule cerebrale în laborator. Această revelație ar putea deschide noi direcții de studiu pentru afecțiuni care afectează trunchiul cerebral, inclusiv atrofia musculară spinală (AMS) și 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”.

Pe 18 septembrie, concluziile studiului au fost publicate în revista Nature Neuroscience. Loh ocupă poziția de autor principal, iar studenții doctoranzi Carolyn Dundes și Rayyan Jokhai sunt coautori principali.

O descoperire esențială

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.

Chiar dacă creierul posterior are un rol esențial, cercetătorii au încercat de ani de zile să genereze în laborator neuroni din această regiune a creierului uman. Lipsa unor astfel de celule a complicat semnificativ investigarea afecțiunilor severe ale trunchiului cerebral, cum ar fi AMS și SLA.

AMS constituie una dintre principalele cauze genetice de mortalitate la copiii cu vârstă sub 1 an. SLA este frecvent diagnosticată la persoanele cu vârste între 40 și 70 de ani și afectează atât regiunea anterioară, cât și cea posterioară a creierului. În ambele afecțiuni, anumite celule nervoase din zona posterioară a creierului își încetează treptat activitatea. Pacienții pot ajunge să-și piardă abilitatea de a înghiți, ceea ce mărește riscul de pneumonie dacă alimentele sau lichidele pătrund în plămâni, iar în stadii ulterioare pot pierde și capacitatea de a respira.

În momentul în care cercetătorii s-au axat pe una dintre primele etape ale formării embrionului, a apărut o descoperire crucială: în gastrulaţia, structura de bază a corpului începe să se contureze.

Creierul posterior nu se formează ca o extensie ulterioară a traseului evolutiv care dă naștere creierului anterior și creierului mijlociu, au constatat cercetătorii. În schimb, aceasta evoluează pe drumul său propriu încă de la început, dezvoltându-se în paralel cu celelalte regiuni.

În scopul analizei acestui fenomen, echipa a examinat embrioni de șoarece în fază de creștere și a detectat două grupuri distincte de celule progenitor ale sistemului nervos. Unul dintre grupuri manifestă expresia genei Otx2 și este pregătit să genereze regiunea anterioară și cea mijlocie a creierului. Celălalt grup prezintă expresia genei Gbx2 și se diferențiază în zona posterioară a creierului. Echipa a constatat că aceste două seturi de celule rămân izolate și nu se amestecă, chiar și în fazele cele mai incipiente pe care le-au analizat.

„Studiul nostru arată că nu este posibil”

Distincția a devenit și mai evidentă când grupul a analizat cromatina, substanța care

„împachetează”

ADN‑ul în interiorul celulelor și contribuie la reglarea genelor utilizabile și a celor inaccesibile.

Ectodermul neural anterior, care va deveni creierul anterior și mijlociu, și Ectodermul neural posterior, care va forma creierul posterior, aveau structuri cromatice radical diferite. Aceste variații au determinat ca celulele să urmeze trasee de dezvoltare separate încă de la faza inițială.

„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 declarat 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.

regiunea posterioară a creierului se dezvoltă de la un traseu distinct, iar cercetătorii au folosit această descoperire pentru a depăși o problemă majoră din laborator. În prima încercare, grupul a reușit să convertească celule stem pluripotente umane într-un tip de celulă capabilă să producă neuroni motori funcționali din zona posterioră a creierului, obținând rezultatele cu succes.

Aceste celule s-au comportat ca neuroni reali din regiunea posterioră a creierului. Au produs impulsuri electrice denumite potenţiale de acţiune și au sintetizat proteine legate de zone particulare din creierul posterior, zone ce reglează mușchii faciali și pe cei responsabili de înghițire.

„O nouă frontieră”

Acest studiu ar putea genera consecințe semnificative pentru cercetătorii care analizează AMS, SLA și alte tulburări ce țin de 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 are de asemenea un rol semnificativ în un alt aspect vital al medicinei: controlul greutăţii. În această zonă se află rețele neuronale care ajustează senzația de foame, fiind printre sistemele ce pot fi modificate de medicamentele de slăbire, cum ar fi semaglutida.

Cercetătorii doresc să aprofundeze proveniența măduvei spinării din perspectiva dezvoltării și să clarifice cu mai multă precizie modul în care AMS și SLA influențează neuronii din regiunea posterioră a creierului.

„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.