Vedci zistili, že mozog nevzniká tak, ako sme si mysleli. Jeho predná a zadná časť majú odlišný pôvod
Vedci zistili, že predná a zadná časť mozgu majú odlišný vývojový pôvod. Objav môže vysvetliť, prečo sa niektoré neuróny tak ťažko pestujú v laboratóriu, a pomôcť pri výskume ALS či SMA.
Mozog poznáme ako jeden orgán, ktorý v lebke vytvára jeden prepojený celok. Nový výskum vedený Stanford Medicine však ukázal, že jeho vývoj má oveľa zložitejší pôvod, než vedci dlhé roky predpokladali. Výskumníci zistili, že predná a zadná časť mozgu nevyrastú z jednej spoločnej zárodočnej bunky. Každá z nich dostane svoj vlastný vývojový základ už v najskorších fázach embryonálneho vývoja.
Vedci vysvetľujú, že mozog sa podľa týchto výsledkov nesformuje ako jeden orgán z jednej bunkovej „stavebnice“. Vzniknú dve odlišné nervové sústavy, ktoré sa počas evolúcie dostali tesne vedľa seba a napokon začali fungovať ako jeden celok. Výsledky tím zverejnil 18. septembra vo vedeckom časopise Nature Neuroscience.
Predná a zadná časť mozgu majú odlišný začiatok
Dospelý mozog vedci tradične rozdeľujú na predný mozog, stredný mozog a zadný mozog. Predný mozog zabezpečuje napríklad vyššie kognitívne schopnosti, vedomie, jazyk či abstraktné myslenie. Zadná časť, ktorú môžeme zjednodušene spojiť s oblasťou mozgového kmeňa, má úplne inú úlohu. Riadi množstvo procesov, bez ktorých by telo neprežilo. Patrí medzi ne dýchanie, srdcová činnosť, spánok či regulácia hladu. Neuróny v tejto oblasti zároveň ovládajú svaly tváre, jazyka a hrdla. Preto zohrávajú významnú úlohu aj pri rozprávaní a prehĺtaní.
Práve zadný mozog však vedcom dlhodobo spôsoboval problém. Výskumníci sa pokúšali vypestovať jeho špecifické neuróny v laboratóriu, no výsledky zostávali obmedzené.
„Po prvý raz sme ukázali, že predná časť mozgu vzniká z úplne inej zárodočnej bunky než zadná časť mozgu,“ uviedol Kyle Loh zo Stanford Medicine, ktorý výskum viedol.
Rozhodnutie padne už na začiatku vývoja embrya
Vedci sa preto zamerali na jednu z najskorších fáz vývoja embrya. Práve v tomto období sa telo začína organizovať do základných štruktúr. Výskumníci skúmali vyvíjajúce sa myšie embryá a objavili dve odlišné skupiny zárodočných buniek. Jedna skupina aktivovala gén Otx2. Z nej neskôr vznikol predný a stredný mozog. Druhá skupina aktivovala gén Gbx2 a dala základ zadnému mozgu. Tieto dve bunkové populácie sa pritom neprelínali. Vedci ich dokázali od seba rozlíšiť už v najskoršom období vývoja. Tím následne preskúmal aj takzvaný chromatín, teda spôsob, akým bunka usporiada svoju DNA. Tento mechanizmus pomáha určovať, ku ktorým génom bunka získa prístup a ktoré naopak uzavrie.
Neprehliadni
Aj tu výskumníci objavili výrazný rozdiel medzi bunkami, z ktorých neskôr vznikne predný a zadný mozog. Odlišné usporiadanie chromatínu podľa nich nasmeruje bunky k ich budúcej úlohe. Nešlo teda iba o dve bunky, ktoré by sa neskôr dali ľubovoľne premeniť na rôzne typy neurónov.
Vedci pochopili, prečo sa im nedarilo vypestovať určité neuróny
Tento objav má praktický význam pre laboratórny výskum. Ak sa vedci pokúsia vziať zárodočnú bunku určenú pre predný mozog a prinútiť ju, aby vytvorila neurón typický pre zadný mozog, môžu naraziť na zásadný problém. Bunka už totiž v ranom štádiu dostala inú vývojovú „inštrukciu“.
Rayyan Jokhai, jeden z prvých autorov štúdie, vysvetlil, že predchádzajúce pokusy pravdepodobne smerovali k premene zárodočných buniek predného a stredného mozgu na bunky zadného mozgu.
„Predchádzajúce pokusy o vytvorenie neurónov zadného mozgu sa pravdepodobne snažili prinútiť zárodočné bunky predného a stredného mozgu, aby sa zmenili na bunky zadného mozgu, čo podľa našej štúdie nie je možné,“ povedal.
Výskumníci následne túto novú znalosť využili. Z ľudských pluripotentných kmeňových buniek sa im po prvýkrát podarilo v laboratóriu vytvoriť funkčné motorické neuróny zadného mozgu. Tieto bunky nevznikli iba na papieri. Vykazovali elektrickú aktivitu typickú pre skutočné neuróny a vytvárali aj bielkoviny charakteristické pre oblasti zadného mozgu, ktoré riadia svaly tváre a mechanizmus prehĺtania.
Objav môže pomôcť pri výskume ALS a SMA
Práve tu sa dostávame k možnému medicínskemu významu celého objavu. Zadný mozog a jeho neuróny zohrávajú úlohu pri ochoreniach, ako je spinálna muskulárna atrofia (SMA) alebo amyotrofická laterálna skleróza (ALS).ň Pri týchto ochoreniach dochádza k poškodeniu nervových buniek, ktoré postupne strácajú svoju funkciu. Pri SMA ide o závažné genetické ochorenie, ktoré patrí medzi významné genetické príčiny úmrtia detí v prvom roku života. ALS môže zasiahnuť viacero oblastí nervového systému vrátane neurónov spojených so zadným mozgom.
Keď pacient postupne stráca kontrolu nad svalmi potrebnými na prehĺtanie, môže dôjsť k vdýchnutiu potravy alebo tekutiny do pľúc. Neskôr môže ochorenie zasiahnuť aj svaly potrebné na dýchanie.
Vedci doteraz nemali jednoduchý spôsob, ako získať tkanivo mozgového kmeňa od žijúceho pacienta a skúmať v ňom priebeh ochorenia. Laboratórne vypestované neuróny preto môžu poskytnúť nový model na skúmanie toho, čo sa v poškodených bunkách deje.
Zvieratá vykazujú podobnú konštrukciu mozgu
Výskumníci sa napokon pozreli ešte hlbšie do minulosti. Zaujímalo ich, či dva odlišné vývojové pôvody predstavujú špecifickú vlastnosť človeka, alebo ide o oveľa starší evolučný mechanizmus. Porovnali preto vývoj nervových sústav u viacerých živočíchov. Rovnaký základný vzorec našli napríklad u kurčiat a zebričiek. Prekvapivejší výsledok priniesol žaluďovec, drobný morský živočích, ktorý s človekom zdieľa veľmi vzdialeného spoločného predka.
Výskumníci našli náznaky dvoch oddelených nervových systémov aj pri medúzach. Ich evolučná línia sa od línie vedúcej k človeku oddelila približne pred 600 až 700 miliónmi rokov.
„Náš výskum naznačuje, že evolúcia vzala dve existujúce nervové sústavy a priestorovo ich spojila,“ vysvetlil Loh.
Z dnešného pohľadu tak máme v lebke jeden orgán, ktorý pracuje ako prepojený systém. Jeho jednotlivé časti však podľa nových zistení siahajú svojím vývojovým pôvodom k dvom veľmi starým nervovým sústavám. Vedci chcú teraz preskúmať aj vývoj miechy a podrobnejšie sledovať, ako ochorenia ako SMA či ALS poškodzujú neuróny zadného mozgu. Nový spôsob pestovania týchto buniek im pritom môže poskytnúť nástroj, ktorý pri predchádzajúcich výskumných postupoch chýbal.
Zaujímavé je aj možné prepojenie s výskumom obezity. Zadný mozog totiž obsahuje nervové okruhy spojené s reguláciou hladu. Práve na tieto mechanizmy nepriamo pôsobia aj moderné lieky na chudnutie, napríklad semaglutid.
Objav tak nehovorí iba o tom, ako vznikol ľudský mozog. Môže tiež pomôcť vedcom lepšie pochopiť, prečo sa niektoré jeho bunky správajú pri chorobách odlišne a prečo ich bolo také náročné vytvoriť v laboratóriu.
