Учёные Стэнфордского Медицинского института заявляют, что мозг, как его принято рассматривать, может состоять не из одного органа, а из двух древних нервных систем, возникавших независимо на протяжении сотен миллионов лет эволюции. Исследование указывает на то, что то, что мы зовём мозгом, объединяет две взаимосвязанные, но изначально раздельные динамики: одна порождает структуры, отвечающие за базовые жизненно важные функции (дыхание и регулирование сердцебиения); другая порождает области, связанные с языком, математикой, абстрактным мышлением и отражением самого себя. Эти выводы сымитируют и обсказывают старые представления о развитии головного мозга. По словам учёных, открытие может помочь объяснить затруднения в выращивании некоторых клеток мозга в лабораторных условиях и открыть новые пути исследования болезней ствола мозга, включая SMA и ALS.

Авторы подчёркивают, что разделение приходит на самой ранней стадии эмбрионального развития: задний отдел мозга развивается параллельно к переднему и образуется из другой progenitor-системы, чем передний мозг. Этот вывод опирается на исследование развивающихся эмбрионов мышей, где были идентифицированы две разные популяции клеток-предшественников мозга — одна несёт ген Otx2 и становится передним и средним мозгом, другая выражает ген Gbx2 и формирует мозговой мозг задний. Взаимодействие этих популяций оказывается минимальным уже на самых ранних стадиях.

Чтобы понять, как эти различия влияют на развитие и функциональность, учёные исследовали хроматин — структуру, которая упаковывает ДНК и регулирует доступность генов. Различия в конфигурациях anterior neural ectoderm и posterior neural ectoderm подтвердили различие в траекториях развития от начала. По словам Jokhai, попытки ранее «переключать» передний progenitor на задний профиль почти наверняка не приводили к нужной клетке; теперь понятно, почему.

После осознания того, что задний мозг следует отдельному пути, исследователи смогли воспроизвести в лаборатории формирование функциональных задне-мозговых мотонейронов из человеческих плюрипотентных стволовых клеток. Эти клетки демонстрировали реальную активность — генерировали потенциалы действия и синтезировали белки, соответствующие зонам заднего мозга, управляющим мышцами лица и глотания. Это стало первым шагом к более точному моделированию заболеваний ствола мозга вне человеческой ткани.

Обзор эволюции за 550 миллионов лет и более показывает, что та же двух.origin система присутствовала у кур, зебрафишей и даже у acorn worms, а у кишечнополостных Jellyfish разнесённость двух нервных систем сохраняется уже около 600–700 миллионов лет назад. Эти данные наводят на мысль о том, что современный позвоночный мозг возник, когда две предсуществовавшие нейронные системы «сблизились» физически. По словам Лоха, эволюция «поставила две существующие нейронные системы рядом»; при этом мозг как единый орган мог бы быть эффективнее, однако существующая архитектура сохраняется.

Исследование может иметь важные последствия для изучения SMA, ALS и других расстройств, повреждающих ствол мозга. Одной из главных практических сложностей остаётся ограниченный доступ к человеческим тканям: образцы ствола мозга невозможно брать у живых пациентов для обычных исследований. Возможность роста заднемозговых нейронов в «чашке» позволяет точнее исследовать, что идёт не так при этих заболеваниях. Также задний мозг участвует в регуляции голода и связан с механизмами воздействия некоторых препаратов на вес. Авторы ставят цель продолжить работу над тем, откуда конкретно берётся спинной мозг и как SMA и ALS нарушают функционирование задних нейронов.

Авторы подчёркивают, что теперь есть модель для лучшего понимания этих болезней и возможных регенеративных подходов. В работе участвуют учёные Калифорнийского технологического института и Университета Калифорнии в Сан-Франциско. Результаты будут опубликованы в Nature Neuroscience 18 сентября; старший автор — Лох, соавторы-аспиранты Каролин Дундес и Райян Джохай.