Мозг — два органа, а не один: разделение произошло 600 миллионов лет назад

Поколениями биологи считали, что все клетки мозга происходят от одной общей предковой клетки — клетки-предшественницы, которая разделилась и дала начало всем его отделам. Оказалось, это предположение неверно.

Исследователи из Stanford Medicine выяснили, что передняя и задняя части мозга развиваются из совершенно разных клеточных линий, каждая из которых получает собственную специализацию ещё до того, как эти линии начинают взаимодействовать. Одной популяции клеток предназначено стать передним и средним мозгом, другой — задним. Между ними проходит молекулярная граница, которую в ходе развития не пересекает ни одна клетка. Это не две ветви одного дерева, а два разных дерева, которые эволюция посадила рядом — в одном черепе.

Последствия этого открытия важны и для фундаментальной биологии, и для медицины. БАС и спинальная мышечная атрофия поражают нейроны заднего мозга — области, которую учёные почти не могли изучать в лаборатории, поскольку не знали, как выращивать такие нейроны вне организма. Теперь это препятствие устранено.

Рекомендуем прочитатьУчёные картировали 160 000 нейронов плодовой мушки — её лапы двигаются без команд мозга

Два путешественника, которым не суждено встретиться

У мозга взрослого человека есть три основных отдела: передний мозг, отвечающий за мышление, язык и сознание; средний мозг, который передаёт сигналы; и задний мозг (ствол мозга), управляющий всем, что поддерживает жизнь без нашего участия, — сердцебиением, дыханием и мышцами, благодаря которым мы можем глотать. Простая иерархия, в которой одна исходная клетка-предшественница формирует все отделы мозга. Такова была общепринятая модель.

Исследуя эмбрионы мышей в период гаструляции — на самой ранней стадии, когда тело начинает формироваться, — команда Стэнфорда обнаружила нечто, что поставило эту модель под сомнение. В эмбрионах уже присутствовали две разные популяции клеток-предшественниц, каждая из которых экспрессировала свой ген. Одна популяция, отмеченная геном Otx2, могла дать начало только переднему и среднему мозгу. Другая, отмеченная Gbx2, была предназначена для заднего мозга. Эти два типа клеток никогда не смешивались, не менялись ролями и не производили клетки, характерные для другой популяции.

Доказательства получили не только, проследив, куда направляются клетки, но и изучив, как физически свёрнута ДНК внутри каждого типа клеток. Хроматин — упаковка ДНК, определяющая, какие гены клетка может активировать, — изначально различался у каждой популяции клеток-предшественниц. Каждая клетка несла не просто указание двигаться в свою сторону: её структура не позволяла ей выбрать какой-либо другой путь.

«Предыдущие попытки получить нейроны заднего мозга, вероятно, заключались в том, что клетки-предшественницы переднего и среднего мозга пытались превратить в клетки заднего мозга. Наше исследование показывает, что это невозможно», — сказал Райян Джокхай (Rayyan Jokhai), аспирант и один из первых авторов исследования. У многолетних неудач в лабораториях нашлось простое объяснение, скрытое в самом начале развития: исследователи пытались получить нейроны заднего мозга не из тех исходных клеток.

Свидетельства длиной в 600 миллионов лет

Открытие оказалось не особенностью эмбрионов мыши. Команда Стэнфорда изучила 550 миллионов лет эволюционной истории и обнаружила одно и то же разделение на две исходные системы у всех исследованных видов: у кур, данио-рерио и желудёвых червей — крошечных обитателей морского дна, имеющих общего далёкого предка с позвоночными. У медуз, отделившихся от нашей эволюционной линии примерно 600–700 миллионов лет назад, уже есть две отдельные нервные системы на противоположных концах тела.

Вывод становился всё очевиднее: эволюция не создала задний и передний мозг как две ветви единого изначального мозга. Она свела вместе две нервные системы, которые развивались независимо друг от друга, и постепенно объединила их в одном организме.

«Наше исследование показывает, что эволюция взяла две уже существовавшие нервные системы и сблизила их в пространстве», — сказал Кайл Ло (Kyle Loh), старший автор исследования и доцент кафедры биологии развития в Stanford Medicine. «Вероятно, мозг как единый орган был бы эффективнее, но мы полагаемся на этот древний способ формирования мозга из двух отдельных частей».

«Результаты меня удивили, — добавил Джокхай. — Само слово „мозг“ подразумевает единый непрерывный орган, который, вероятно, имеет общее происхождение. Но даже 500 миллионов лет назад существовали отдельные нервные системы, которые теперь работают почти как единое целое».

Какие возможности открывает это исследование

Для людей, живущих с БАС или спинальной мышечной атрофией, практические последствия открытия могут проявиться сразу. При обоих заболеваниях постепенно перестают работать нейроны заднего мозга, управляющие глотанием и дыханием. Пациенты теряют способность безопасно глотать, из-за чего повышается риск пневмонии: пища или жидкость могут попасть в дыхательные пути. Со временем человек утрачивает и способность дышать самостоятельно. СМА — ведущая генетическая причина смерти детей младше одного года. БАС чаще всего диагностируют в возрасте от 40 до 70 лет.

Учёные знали, что оба заболевания поражают задний мозг. Но для их изучения в лабораторной чашке требовалось выращивать нейроны заднего мозга, а это оказалось почти невыполнимой задачей: исследователи пытались получить их не из тех исходных клеток. Использовав клетки-предшественницы нужного типа, команда Стэнфорда впервые сумела превратить плюрипотентные стволовые клетки человека в функциональные двигательные нейроны заднего мозга. Выращенные в лаборатории клетки генерировали потенциалы действия и экспрессировали белки, характерные для тех сегментов заднего мозга, которые управляют лицом, языком и горлом.

Есть и менее очевидная связь: в заднем мозге находятся нервные цепи, регулирующие чувство голода. Именно на них воздействуют такие препараты, как семаглутид — активное вещество Ozempic и Wegovy. Возможность выращивать и изучать эти нейроны в лаборатории может со временем помочь понять, как именно эти препараты подавляют аппетит на клеточном уровне.

Что ещё предстоит выяснить

Разделение в процессе развития подтверждено. Но эволюционный механизм пока не установлен: неизвестно, как именно и когда две нервные системы, развивавшиеся независимо, впервые соприкоснулись и соединились в орган, который мы называем мозгом. Эта история охватывает сотни миллионов лет, и её реконструкция продолжается.

В нынешнем исследовании рассматривались три отдела мозга: передний, средний и задний. Следующая цель команды — изучить происхождение спинного мозга в процессе развития.

Есть и ряд оговорок. Основная часть работы проводилась на эмбрионах мышей; чтобы подтвердить выводы о заднем мозге, команда использовала плюрипотентные стволовые клетки человека, однако сам процесс гаструляции у человека непосредственно не наблюдали. Исследование также не установило точный момент, когда популяции клеток Otx2 и Gbx2 впервые обособляются. Возможность выращивать нейроны заднего мозга в лабораторной чашке — это исследовательский инструмент, а не метод лечения: до клинического применения ещё годы работы.

«Теперь у нас есть модель, которая поможет лучше понять эти заболевания и продвинуться в разработке регенеративных методов лечения», — сказал Джокхай.

Частые вопросы о двух источниках происхождения мозга

Значит ли это, что у вас два отдельных мозга?

Нет, если понимать это так, будто в одном черепе находятся два независимых разума. Но с точки зрения развития задний мозг (ствол мозга) и передний/средний мозг произошли от совершенно разных клеточных линий-предшественниц, разделившихся на самых ранних этапах развития эмбриона. У взрослого человека они работают как единый орган, но возникли из двух древних систем, которые эволюция постепенно объединила.

За что отвечает задний мозг?

Задний мозг, или ствол мозга, управляет автоматическими функциями, необходимыми для жизни: дыханием, сердцебиением, регуляцией сна, сигналами голода, а также мышцами лица, языка и горла, которые позволяют нам глотать и говорить. Передний мозг отвечает за более сложные функции: речь, рассуждение, память и сознание.

Почему на это открытие ушло столько времени?

Модель единой клетки-предшественницы никогда напрямую не проверяли на стадии гаструляции — самом раннем этапе развития. В предыдущих лабораторных работах пытались получить нейроны ствола мозга, не различая предварительно типы клеток-предшественниц, и результаты оказывались нестабильными. Команда Стэнфорда разрешила этот вопрос, изучив момент, когда ни одна часть мозга ещё не приобрела узнаваемую форму.

Как это повлияет на исследования БАС и СМА?

Оба заболевания разрушают нейроны заднего мозга, управляющие дыханием и глотанием. Раньше учёные не могли надёжно выращивать эти клетки в лабораторной чашке. Без клеточной модели исследования обоих заболеваний на молекулярном уровне были почти невозможны. Команда Стэнфорда впервые вырастила функциональные нейроны заднего мозга человека, открыв путь к созданию моделей заболеваний и тестированию препаратов для БАС и СМА.

Исследование опубликовано в Nature Neuroscience 18 сентября. Следующая цель команды — изучить происхождение спинного мозга в процессе развития.

Теперь перед исследователями в обоих направлениях открывается практический вопрос: если механизмы заболеваний заднего мозга наконец можно изучать в лабораторной чашке, что ещё в устройстве мозга из двух органов оставалось незаметным из-за неверно выбранной исходной точки?

Источник: Дандес и Джокхай и др., «Separable developmental origins of the forebrain/midbrain and hindbrain», Nature Neuroscience, 2026.

Теги: neuroscience, ALS, evolutionary biology, brain development, kyle loh, sma

Похожее

Вспомогательные клетки мозга считались незаменимыми — взрослый мозг их заменяет

Три системы мозга разрушаются одновременно в возрасте 50–75 лет, показывает карта гиппокампа

Мозг был изолирован от иммунной системы — но костный мозг черепа имел другие планы

Не только неандертальцы: африканский «призрачный» предок оставил след в ДНК почти каждого

Под наркозом мозг продолжал разбирать речь и предугадывать следующее слово

ДНК человека скрывает двух призрачных предков — один принадлежит виду возрастом 1,8 миллиона лет