Σύνοψη
- Ερευνητές του Stanford ανακάλυψαν ότι ο εγκέφαλος αναπτύσσεται από δύο διαφορετικούς πληθυσμούς κυττάρων.
- Ο ένας οδηγεί στην ανάπτυξη του πρόσθιου και μέσου εγκεφάλου, ενώ ο δεύτερος δημιουργεί τον οπίσθιο εγκέφαλο.
- Η ανακάλυψη αμφισβητεί την παλαιότερη αντίληψη ότι ολόκληρος ο εγκέφαλος ξεκινά από έναν κοινό κυτταρικό «πρόγονο».
- Οι δύο αναπτυξιακές πορείες εμφανίζονται ήδη κατά τα πρώτα στάδια της εμβρυϊκής ανάπτυξης.
- Οι ερευνητές κατάφεραν για πρώτη φορά να δημιουργήσουν στο εργαστήριο λειτουργικούς ανθρώπινους κινητικούς νευρώνες του οπίσθιου εγκεφάλου από βλαστοκύτταρα.
- Το αποτέλεσμα μπορεί να βοηθήσει στη μελέτη της ALS και της νωτιαίας μυϊκής ατροφίας, δύο ασθενειών που επηρεάζουν νευρώνες του εγκεφαλικού στελέχους.
- Τα στοιχεία δείχνουν ότι αυτή η «διπλή» αναπτυξιακή αρχιτεκτονική μπορεί να έχει διατηρηθεί για περισσότερα από 550 εκατομμύρια χρόνια εξέλιξης.
Μπορεί ο ανθρώπινος εγκέφαλος να μην είναι τόσο ενιαίος όσο πιστεύαμε; Μια νέα μελέτη από ερευνητές του Stanford Medicine υποδεικνύει ότι οι διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου δεν προέρχονται όλες από την ίδια κυτταρική «αφετηρία». Αντίθετα, δύο ξεχωριστοί πληθυσμοί πρόδρομων κυττάρων εμφανίζονται παράλληλα κατά την εμβρυϊκή ανάπτυξη και στη συνέχεια δημιουργούν διαφορετικά τμήματα του εγκεφάλου.
Η διατύπωση έχει σημασία: οι επιστήμονες δεν λένε ότι ο εγκέφαλος αποτελείται ανατομικά από δύο ξεχωριστά όργανα. Το εύρημα αφορά την αναπτυξιακή του προέλευση. Ωστόσο, είναι αρκετά σημαντικό ώστε να αλλάζει ένα βασικό μοντέλο που χρησιμοποιείται εδώ και δεκαετίες στη νευροεπιστήμη.
Δύο διαφορετικές αφετηρίες από την αρχή
Μέχρι σήμερα, η επικρατούσα αντίληψη ήταν ότι ολόκληρο το νευρικό σύστημα του εγκεφάλου ξεκινά από έναν κοινό πληθυσμό πρόδρομων κυττάρων, τα οποία στη συνέχεια διαφοροποιούνται και δημιουργούν τις διαφορετικές περιοχές του.
Η νέα μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο Nature Neuroscience, δείχνει κάτι διαφορετικό. Κατά τη γαστριδίωση, ένα από τα πρώτα στάδια της εμβρυϊκής ανάπτυξης, εμφανίζονται ταυτόχρονα δύο διαφορετικοί πληθυσμοί νευρικών πρόδρομων κυττάρων: το εμπρόσθιο νευροεκτοδερμα από το οποίο προέρχονται ο πρόσθιος και ο μέσος εγκέφαλος, και το οπίσθιο νευροεκτόδερμα, από το οποίο προέρχεται ο οπίσθιος εγκέφαλος.
Με απλά λόγια, ο εγκέφαλος δεν φαίνεται να χτίζεται σαν ένα ενιαίο σύστημα που στη συνέχεια χωρίζεται σε επιμέρους τμήματα. Τουλάχιστον σε επίπεδο κυτταρικής ανάπτυξης, δύο διαφορετικές «γραμμές παραγωγής» ξεκινούν παράλληλα και τελικά δημιουργούν ένα ενιαίο όργανο.
Οι επιστήμονες εντόπισαν τη διαφορά στα κύτταρα
Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε κυρίως έμβρυα ποντικών για να παρακολουθήσει την πορεία των κυττάρων κατά την ανάπτυξη. Οι ερευνητές εντόπισαν διαφορετικούς πληθυσμούς κυττάρων με διαφορετική γενετική δραστηριότητα και διαπίστωσαν ότι παρέμεναν διακριτοί καθώς εξελισσόταν ο εγκέφαλος.
Ένα από τα σημαντικά στοιχεία ήταν τα γονίδια Otx2 και Gbx2. Το Otx2 συνδέεται με την κυτταρική γραμμή που οδηγεί στον πρόσθιο και μέσο εγκέφαλο, ενώ το Gbx2 με την αντίστοιχη γραμμή του οπίσθιου εγκεφάλου. Οι δύο πληθυσμοί δεν αναμειγνύονταν όπως θα περίμενε κανείς εάν προέρχονταν από έναν ενιαίο πρόδρομο πληθυσμό.
Οι διαφορές δεν περιορίζονταν στα γονίδια. Οι ερευνητές εξέτασαν και τη χρωματίνη, δηλαδή το σύμπλεγμα DNA και πρωτεϊνών που καθορίζει σε μεγάλο βαθμό ποια γονίδια είναι διαθέσιμα προς ενεργοποίηση μέσα σε ένα κύτταρο. Βρήκαν διαφορετική «οργάνωση» της χρωματίνης στις δύο κυτταρικές γραμμές, γεγονός που υποδεικνύει ότι οι διαφορετικές αναπτυξιακές τους πορείες είναι βαθιά ενσωματωμένες στη βιολογία τους.
Το εύρημα λύνει ένα πρόβλημα που ταλαιπωρούσε την έρευνα
Εδώ βρίσκεται ίσως το πιο πρακτικό μέρος της ανακάλυψης.
Οι επιστήμονες προσπαθούν εδώ και χρόνια να δημιουργήσουν στο εργαστήριο ανθρώπινους νευρώνες του οπίσθιου εγκεφάλου. Αυτοί οι νευρώνες είναι ιδιαίτερα σημαντικοί, καθώς συμμετέχουν σε λειτουργίες όπως η αναπνοή, η κατάποση, ο έλεγχος του καρδιακού ρυθμού και οι κινήσεις του προσώπου και της γλώσσας.
Το πρόβλημα ήταν ότι η δημιουργία τους από ανθρώπινα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα ήταν εξαιρετικά δύσκολη. Η νέα μελέτη δίνει μια πιθανή εξήγηση: οι ερευνητές προσπαθούσαν να δημιουργήσουν κύτταρα του οπίσθιου εγκεφάλου από πρόδρομα κύτταρα που είχαν ήδη ακολουθήσει την αναπτυξιακή πορεία του πρόσθιου εγκεφάλου.
Όταν η ομάδα έλαβε υπόψη αυτή τη θεμελιώδη διαφορά, κατάφερε να καθοδηγήσει ανθρώπινα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα ώστε να δημιουργήσουν λειτουργικούς κινητικούς νευρώνες του οπίσθιου εγκεφάλου. Τα κύτταρα παρήγαγαν ηλεκτρικά σήματα και εμφάνιζαν χαρακτηριστικά που αντιστοιχούν σε συγκεκριμένες περιοχές του οπίσθιου εγκεφάλου.
Γιατί ενδιαφέρει την έρευνα για ALS και SMA
Το εύρημα μπορεί να αποκτήσει ιδιαίτερη σημασία για δύο σοβαρές νευρολογικές ασθένειες: την αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση (ALS) και τη νωτιαία μυϊκή ατροφία (SMA).
Και στις δύο περιπτώσεις επηρεάζονται κινητικοί νευρώνες, ενώ στην ALS η νόσος μπορεί να επηρεάσει και περιοχές του εγκεφάλου και του εγκεφαλικού στελέχους. Όταν οι συγκεκριμένοι νευρώνες σταματούν να λειτουργούν, οι ασθενείς μπορεί να χάσουν σταδιακά την ικανότητα να μιλούν, να καταπίνουν και τελικά να αναπνέουν φυσιολογικά.
Η δυνατότητα δημιουργίας αυτών των ανθρώπινων νευρώνων στο εργαστήριο προσφέρει στους επιστήμονες ένα πολύ πιο χρήσιμο μοντέλο για να μελετήσουν τι ακριβώς συμβαίνει στα κύτταρα όταν εμφανίζεται η ασθένεια. Αντί να βασίζονται αποκλειστικά σε ζωικά μοντέλα ή σε έμμεσες παρατηρήσεις, μπορούν να εξετάσουν ανθρώπινα κύτταρα σε ελεγχόμενο εργαστηριακό περιβάλλον.
Αυτό δεν σημαίνει ότι βρέθηκε θεραπεία για την ALS ή τη SMA. Σημαίνει ότι δημιουργήθηκε ένα νέο εργαλείο που θα μπορούσε να επιταχύνει την κατανόηση των μηχανισμών των ασθενειών και, μακροπρόθεσμα, την ανάπτυξη πιθανών θεραπειών.
Η ιστορία μπορεί να ξεκινά πριν από 550 εκατομμύρια χρόνια
Οι ερευνητές δεν σταμάτησαν στον άνθρωπο και στα ποντίκια. Αναζήτησαν ενδείξεις της ίδιας αναπτυξιακής οργάνωσης σε διαφορετικά είδη ζώων.
Η ομάδα βρήκε στοιχεία που είναι συμβατά με την ύπαρξη αντίστοιχων πρόσθιων και οπίσθιων νευρικών προδρόμων σε οργανισμούς όπως τα κοτόπουλα, τα ψάρια ζέβρα και οι σκώληκες βελανιδιού. Συνολικά, τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι η συγκεκριμένη αρχιτεκτονική μπορεί να έχει διατηρηθεί σε μια εξελικτική διαδρομή διάρκειας περίπου 550 εκατομμυρίων ετών.
Οι επιστήμονες προτείνουν έτσι μια ενδιαφέρουσα εξελικτική υπόθεση: δύο αρχαία νευρικά συστήματα μπορεί να υπήρχαν αρχικά ως πιο ανεξάρτητες δομές και, κατά την εξέλιξη των ζώων, να βρέθηκαν όλο και πιο κοντά μέχρι να αποτελέσουν αυτό που σήμερα γνωρίζουμε ως εγκέφαλο.
Πρόκειται για υπόθεση που προκύπτει από τα εξελικτικά δεδομένα της μελέτης και όχι για άμεση παρατήρηση του τρόπου με τον οποίο δημιουργήθηκε ο εγκέφαλος πριν από εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια. Το εύρημα, ωστόσο, προσθέτει ένα νέο κομμάτι στο παζλ της εξέλιξης του νευρικού συστήματος.
Και τι σημαίνει αυτό για τον ανθρώπινο εγκέφαλο;
Η μελέτη δεν αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί ο εγκέφαλος στην καθημερινότητά μας. Δεν σημαίνει ότι υπάρχουν δύο ανεξάρτητοι εγκέφαλοι μέσα στο κρανίο ούτε ότι ο πρόσθιος και ο οπίσθιος εγκέφαλος λειτουργούν απομονωμένα.
Αλλάζει, όμως, κάτι πιο θεμελιώδες: τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες σκέφτονται για την κατασκευή του εγκεφάλου. Η ανάπτυξη ενός οργάνου που φαίνεται ενιαίο μπορεί να βασίζεται σε δύο διαφορετικές κυτταρικές αφετηρίες, οι οποίες ακολουθούν ξεχωριστές πορείες πριν καταλήξουν να λειτουργούν ως ένα ενιαίο σύστημα.
Και αυτή η λεπτομέρεια μπορεί να αποδειχθεί εξαιρετικά σημαντική για την ιατρική. Αν οι ερευνητές γνωρίζουν από ποιον ακριβώς κυτταρικό πληθυσμό πρέπει να ξεκινήσουν για να δημιουργήσουν έναν συγκεκριμένο τύπο νευρώνα, μπορούν να κατασκευάσουν καλύτερα εργαστηριακά μοντέλα ασθενειών και να δοκιμάσουν με μεγαλύτερη ακρίβεια πιθανές θεραπείες.
Η πιο εντυπωσιακή ιδέα της μελέτης, επομένως, δεν είναι ότι «ο εγκέφαλος αποτελείται από δύο όργανα». Είναι ότι ένα από τα πιο σύνθετα όργανα του ανθρώπινου σώματος μπορεί να ξεκινά τη ζωή του ως δύο διαφορετικά κυτταρικά συστήματα που τελικά συνεργάζονται τόσο στενά, ώστε να λειτουργούν σαν ένα. Και τώρα οι επιστήμονες έχουν έναν νέο τρόπο να παρακολουθήσουν αυτή τη διαδικασία από την αρχή.
