Επί αιώνες, οι ανατόμοι και οι νευροεπιστήμονες θεωρούσαν τον εγκέφαλο ως ένα μοναδικό, συνεχές όργανο που προέρχεται από μια κοινή ομάδα προγόνων κατά την εμβρυϊκή ανάπτυξη. 

Τώρα, μια μελέτη με επικεφαλής αναπτυξιακούς βιολόγους στο Stanford Medicine αντικρούει αυτή τη θεμελιώδη υπόθεση. Δημοσιεύτηκε στο Nature Neuroscience και  δείχνει ότι αυτό που ονομάζουμε ανθρώπινο εγκέφαλο είναι στην πραγματικότητα δύο αρχαία, ανεξάρτητα νευρικά συστήματα που συναρμολογούνται δίπλα-δίπλα για εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια εξελικτικής ιστορίας.

«Δείξαμε για πρώτη φορά ότι το μπροστινό μέρος του εγκεφάλου προέρχεται από ένα εντελώς διαφορετικό προγονικό κύτταρο έναντι του πίσω μέρους του εγκεφάλου», δήλωσε ο Kyle Loh. «Η ανακάλυψή μας σημαίνει ότι μπορούμε πλέον να καλλιεργήσουμε νευρώνες από το πίσω μέρος του εγκεφάλου, τον οπίσθιο εγκέφαλο, σε ένα τρυβλίο Petri και να μελετήσουμε τις λειτουργίες τους».

Δύο γενεαλογικές καταγωγές σε παράλληλες γραμμές

Ο ενήλικος εγκέφαλος χωρίζεται σε τρία κλασικά τμήματα: τον πρόσθιο εγκέφαλο, τον μεσεγκέφαλο και τον οπίσθιο εγκέφαλο. Ενώ ο πρόσθιος εγκέφαλος διέπει την εκτελεστική γνωστική λειτουργία, τη γλώσσα και την αφηρημένη σκέψη, ο οπίσθιος εγκέφαλος, κοινώς γνωστός ως εγκεφαλικό στέλεχος, συντονίζει τους αυτόνομους μηχανισμούς που είναι απαραίτητοι για τη βασική επιβίωση: ρυθμική αναπνοή, καρδιακή ρύθμιση, κύκλους ύπνου-αφύπνισης, μεταβολική ώθηση και κινητικό έλεγχο των εκφράσεων του προσώπου, της ομιλίας και της κατάποσης.

Διερευνώντας τα πρώιμα στάδια της εμβρυογένεσης σε ποντίκια κατά τη γαστριδίωση, οι  Rayyan Jokhai και Carolyn Dundes εντόπισαν δύο εντελώς μη επικαλυπτόμενους πληθυσμούς προγονικών κυττάρων:

Πρόσθια Γραμμική Καταγωγή (Otx2+): Αφιερωμένη αποκλειστικά στη δημιουργία του πρόσθιου και μεσεγκεφάλου.

Οπίσθια Γενεαλογία (Gbx2+): Δεσμευμένη από την αρχή στην κατασκευή του οπίσθιου εγκεφάλου.

Αυτοί οι κυτταρικοί πληθυσμοί δεν επικαλύπτονται ποτέ ούτε διασταυρώνονται μεταξύ τους. Οι επιγονιδιωματικές αξιολογήσεις αποκάλυψαν ότι το πρόσθιο και το οπίσθιο νευρικό εξώδερμα διαθέτουν διακριτές αρχιτεκτονικές συσκευασίας χρωματίνης, οι οποίες κλειδώνουν μόνιμα κάθε κυτταρικό τύπο στην συγκεκριμένη αναπτυξιακή του τροχιά.

«Προηγούμενες προσπάθειες δημιουργίας νευρώνων του οπίσθιου εγκεφάλου πιθανότατα προσπάθησαν να μετατρέψουν τους προγονικούς ιστούς του πρόσθιου και μεσεγκεφάλου σε κύτταρα του οπίσθιου εγκεφάλου, κάτι που η μελέτη μας δείχνει ότι δεν είναι δυνατό», εξήγησε ο Jokhai. «Στη βιολογία των βλαστοκυττάρων, οι άνθρωποι είναι πάντα εμμονικοί με τη δημιουργία του τελικού κυτταρικού τύπου, όπως ο νευρώνας. Αλλά είναι σημαντικό να ξεκινάμε από τα πρώτα στάδια της εμβρυϊκής ανάπτυξης. Η προσοχή σε αυτό το πρώιμο χρονικό σημείο μας επέτρεψε να βρούμε αυτή τη θεμελιώδη διάσπαση».

Ένωση 550 εκατομμυρίων χρόνων

Για να εντοπίσουν την εξελικτική προέλευση αυτού του χάσματος, οι ερευνητές εξέτασαν απομακρυσμένους φυλογενετικούς κλάδους. Εντόπισαν τον ίδιο μηχανισμό διπλής προέλευσης σε κοτόπουλα, ζεβρόψαρα, ακόμη και σε θαλάσσια σκουλήκια, τα οποία αποσχίστηκαν από την κοινή μας γενεαλογία πριν από 550 εκατομμύρια χρόνια. Πιο πρωτόγονοι οργανισμοί όπως οι μέδουσες, οι οποίες αποκλίνουν πριν από 600 έως 700 εκατομμύρια χρόνια, διαθέτουν δύο ξεχωριστά νευρικά συστήματα που βρίσκονται σε αντίθετα άκρα της ανατομίας τους.

«Η έρευνά μας υποδηλώνει ότι η εξέλιξη πήρε δύο υπάρχοντα νευρωνικά συστήματα και τα συνένωσε χωρικά», σημείωσε ο Loh. «Το να έχουμε τον εγκέφαλο ως ένα όργανο θα ήταν πιθανώς πιο αποτελεσματικό, αλλά βασιζόμαστε σε αυτόν τον αρχέγονο τρόπο για να φτιάξουμε τον εγκέφαλο ως δύο ξεχωριστά κομμάτια».

Ξεκλειδώνοντας μοντέλα in vitro για ALS, SMA και μεταβολικά νοσήματα

Οπλισμένοι με το βιολογικό σχέδιο της προδιαγραφής του οπίσθιου εγκεφάλου, οι ερευνητές του Στάνφορντ καθοδήγησαν ανθρώπινα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα σε πλήρως λειτουργικούς κινητικούς νευρώνες του οπίσθιου εγκεφάλου. Τα κύτταρα που αναπτύχθηκαν στο εργαστήριο εμφάνισαν φυσιολογικά δυναμικά δράσης και εξέφρασαν δείκτες χαρακτηριστικούς των τμημάτων του οπίσθιου εγκεφάλου που ελέγχουν το μυϊκό σύστημα του προσώπου και την κατάποση.

Η ανακάλυψη αυτή παρέχει μια πειραματική πλατφόρμα για τη μελέτη ασθενειών που στοχεύουν το εγκεφαλικό στέλεχος. Σε διαταραχές όπως η αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση (ALS) και η νωτιαία μυϊκή ατροφία (SMA), η εκφύλιση των κινητικών νευρώνων του οπίσθιου εγκεφάλου στερεί από τους ασθενείς την ικανότητα να καταπίνουν και να αναπνέουν, οδηγώντας σε θανατηφόρα πνευμονία εισρόφησης ή αναπνευστική ανακοπή. Επειδή η απόκτηση ζωντανού ιστού του εγκεφαλικού στελέχους από τους ασθενείς είναι αδύνατη, η ιατρική έρευνα έχει καθυστερήσει λόγω της έλλειψης προσβάσιμων ανθρώπινων κυτταρικών μοντέλων.

Πέρα από τη νόσο του κινητικού νευρώνα, το σύστημα παρέχει πληροφορίες για τη μεταβολική υγεία. Ο οπίσθιος εγκέφαλος φιλοξενεί ζωτικά νευρωνικά κυκλώματα που μεσολαβούν στον κορεσμό και την πείνα, τις ακριβείς οδούς που ρυθμίζονται από αγωνιστές GLP-1 όπως η σεμαγλουτίδη. Η καλλιέργεια ανθρώπινου οπίσθιου εγκεφαλικού ιστού in vitro θα επιτρέψει στους ειδικούς να αναλύσουν άμεσα τον τρόπο με τον οποίο οι ενώσεις που καταστέλλουν την πείνα αλληλεπιδρούν με τα κυκλώματα του ανθρώπινου εγκεφαλικού στελέχους.

«Τώρα έχουμε ένα μοντέλο για να κατανοήσουμε καλύτερα αυτές τις καταστροφικές ασθένειες και να εργαστούμε για αναγεννητικές θεραπείες γι' αυτές», δήλωσε ο Jokhai. «Πρόκειται για ένα πολύ συναρπαστικό νέο μέτωπο στην έρευνα για τον εγκέφαλο».

Προσθέστε το iatronet.gr στο Discover

Ειδήσεις υγείας σήμερα
21 Σεπτεμβρίου, Παγκόσμια Ημέρα Νόσου Alzheimer
Εγκαίνια του ‘’Κόμβου Καινοτομίας και Προχωρημένης Εκπαίδευσης’’ του ΙΤΕ
Δημογραφικό - ημερίδα iatronet: Ανάγκη για εθνική στρατηγική και ουσιαστική στήριξη της οικογένειας