Мозг человека выглядит единым органом, однако формироваться он, похоже, начинает сразу по двум разным клеточным сценариям. Учёные обнаружили две линии клеток-предшественников: одна в дальнейшем создаёт передний и средний мозг, а другая — задний.

Результаты международной группы под руководством исследователей Стэнфордского университета опубликованы в Nature Neuroscience. Они меняют привычное представление о самых ранних этапах формирования нервной системы.

До сих пор развитие мозга обычно описывали как последовательный процесс: сначала возникает общий набор ранних нервных клеток, а затем под воздействием различных сигналов они приобретают специализацию и превращаются в клетки разных областей мозга.

Новая работа показывает, что разделение может происходить гораздо раньше.

Два пути появляются почти в самом начале

Первоначально исследователи проследили развитие мозга мышей во время гаструляции — одного из самых ранних этапов формирования эмбриона, когда будущий организм только начинает разделяться на основные типы тканей.

Уже тогда обнаружились две разные группы клеток-предшественников.

Одна группа экспрессировала ген Otx2 и впоследствии формировала передний и средний мозг. Другая была связана с Gbx2 и давала начало заднему мозгу, куда входят структуры, участвующие в контроле дыхания, сердцебиения, движений и множества других жизненно важных функций.

Различались не только активные гены. У клеток была по-разному организована упаковка ДНК — так называемый хроматин. Это указывает на то, что речь идёт не просто о клетках, которые получили разные сигналы, а о двух достаточно глубоко различающихся линиях развития.

Исследователи попробовали заставить клетки одной линии формировать структуры, характерные для другой, однако сделать их полностью взаимозаменяемыми не получилось.

«Наше внимание к этому очень раннему этапу позволило обнаружить фундаментальное разделение в развитии мозга», — рассказал один из авторов работы Райан Джокхай, слова которого приводит ScienceAlert.

То же разделение нашли у очень разных животных

На мышах исследование не закончилось.

Учёные обнаружили похожее разделение ранних клеток у макак, кур, рыб данио и даже желудевых червей — морских животных, эволюционно очень далёких от человека.

Последний общий предок всех этих групп жил примерно 550 миллионов лет назад. Поэтому исследователи предполагают, что схема, при которой нервная система формируется из двух параллельных линий, может быть чрезвычайно древней.

Руководитель лаборатории Кайл Ло описывает возможную картину ещё смелее: эволюция могла объединить две существовавшие нервные системы так тесно, что сегодня мы воспринимаем результат как единый орган.

При этом работа пока не доказывает, что эти две системы когда-то действительно возникли независимо друг от друга. По развитию современных животных можно восстановить лишь часть их далёкой эволюционной истории.

Открытие помогло вырастить клетки заднего мозга

У находки оказалось и практическое применение.

Учёным давно удаётся превращать человеческие плюрипотентные стволовые клетки в различные типы нервных клеток. Но некоторые клетки заднего мозга получать особенно трудно.

Теперь исследователи предположили, что проблема могла быть в самой исходной точке: лабораторные методы начинали с клеток, уже ориентированных на формирование передних областей мозга.

Используя новую схему развития, команда направила человеческие стволовые клетки сначала по «задней» линии, а затем впервые получила из них зрелые моторные нейроны определённых областей заднего мозга. Эти клетки демонстрировали характерные белки и электрическую активность настоящих нейронов.

Такой подход может помочь создавать более точные лабораторные модели заболеваний, затрагивающих двигательные нейроны и структуры ствола мозга, в том числе бокового амиотрофического склероза и спинальной мышечной атрофии.

Получается, что единый человеческий мозг уже на самых ранних этапах развития состоит из клеток с разной «судьбой». Эти две линии существуют рядом, взаимодействуют и в итоге соединяются настолько плотно, что границу между их потомками в сформировавшемся мозге почти невозможно заметить.