«Ο εγκέφαλος εμφανίζεται ως ένα ενιαίο όργανο. Ωστόσο ανακαλύψαμε ότι το πρόσθιο και το οπίσθιο τμήμα του εγκεφάλου προέρχονται από διαφορετικές πηγές οι οποίες ενώνονται δημιουργώντας την εικόνα ενός ενιαίου οργάνου» δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης, Κάιλ Λοχ αναπληρωτής καθηγητής αναπτυξιακής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο Στάνφορντ.
Τα ευρήματα που δημοσιεύθηκαν στην επιθεώρηση «Nature Neuroscience» δεν αμφισβητούν μόνο τα καθιερωμένα μοντέλα για τον σχηματισμό του εγκεφάλου αλλά ενδέχεται επίσης να εξηγήσουν γιατί οι ερευνητές δυσκολεύονται να αναπτύξουν ορισμένους τύπους εγκεφαλικών κυττάρων στο εργαστήριο.
Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι η μελέτη θα μπορούσε να προσφέρει νέους τρόπους διερεύνησης ασθενειών που επηρεάζουν το εγκεφαλικό στέλεχος δηλαδή τη δομή που συνδέει τον εγκέφαλο με τον νωτιαίο μυελό.
Δύο διαφορετικές αναπτυξιακές πορείες
Ο ανθρώπινος εγκέφαλος χωρίζεται σε τρεις κύριες περιοχές: τον πρόσθιο εγκέφαλο, τον μεσεγκέφαλο και τον οπίσθιο εγκέφαλο. Οι περιοχές αυτές επιτελούν διαφορετικές αλλά αλληλένδετες, λειτουργίες.
Ο πρόσθιος εγκέφαλος στον οποίο περιλαμβάνονται τα εγκεφαλικά ημισφαίρια συμμετέχει σε ανώτερες γνωστικές διεργασίες, όπως η γλώσσα, ο σχεδιασμός και η αφηρημένη σκέψη. Ο μεσεγκέφαλος, το ανώτερο τμήμα του εγκεφαλικού στελέχους, συνδέει τον πρόσθιο με τον οπίσθιο εγκέφαλο και λειτουργεί ως βασικός σταθμός διαβίβασης αισθητηριακών πληροφοριών και ελέγχου της κίνησης.
Ο οπίσθιος εγκέφαλος στον οποίο περιλαμβάνεται το κατώτερο τμήμα του εγκεφαλικού στελέχους μαζί με άλλες δομές, συμβάλλει επίσης στον συντονισμό των κινήσεων και στη ρύθμιση ζωτικών λειτουργιών, όπως η αναπνοή, ο ύπνος και ο καρδιακός ρυθμός. Ιστορικά ο οπίσθιος εγκέφαλος ήταν δύσκολο να μελετηθεί. Ένας από τους λόγους είναι ότι οι επιστήμονες αντιμετώπιζαν επίμονα προβλήματα στην παραγωγή λειτουργικών νευρώνων του οπίσθιου εγκεφάλου υπό εργαστηριακές συνθήκες.
Για να κατανοήσουν το γιατί ο Λοχ και η ομάδα του μελέτησαν τα πρώιμα στάδια της εμβρυϊκής ανάπτυξης σε ποντίκια στο εργαστήριο. Εστίασαν στη γαστριδίωση (η γαστροποίηση) το στάδιο κατά το οποίο τα κύτταρα αρχίζουν να οργανώνονται σε δομές που αργότερα θα σχηματίσουν διαφορετικά όργανα. Οι ερευνητές εντόπισαν δύο διακριτούς πληθυσμούς ανώριμων κυττάρων από τους οποίους θα προέκυπταν ιστοί του νευρικού συστήματος συμπεριλαμβανομένου του εγκεφάλου.
Ο ένας πληθυσμός κυττάρων εξέφραζε ένα γονίδιο που ονομάζεται Otx2 το οποίο συμβάλλει στην καθοδήγηση της πρώιμης ανάπτυξης του πρόσθιου εγκεφάλου και του μεσεγκεφάλου. Η δεύτερη ομάδα κυττάρων εξέφραζε το γονίδιο Gbx2, το οποίο συμμετέχει στην ανάπτυξη του μεσεγκεφάλου και του οπίσθιου εγκεφάλου.
Η φωτογραφία απεικονίζει έμβρυο ποντικού ηλικίας 9,5 ημερών και παρουσιάζει τις δύο διακριτές αναπτυξιακές προελεύσεις του εγκεφάλου. Ο πρόσθιος εγκέφαλος και μέρος του μεσεγκεφάλου (μπλε) εκφράζουν το γονίδιο Otx2, ενώ ο οπίσθιος εγκέφαλος και το υπόλοιπο τμήμα του μεσεγκεφάλου (κόκκινο) εκφράζουν το Gbx2. Ο κόκκινος πληθυσμός κυττάρων επεκτείνεται επίσης στον νωτιαίο μυελό.
Οι λειτουργίες αυτών των γονιδίων ήταν ήδη γνωστές. Ωστόσο η νέα έρευνα αποκάλυψε ότι εκφράζονται με διαφορετικό τρόπο στις δύο ομάδες κυττάρων. Οι πληθυσμοί παρέμειναν διακριτοί καθώς εξελίσσονταν σε πλήρως ανεπτυγμένο νευρικό ιστό, αντί να αλληλεπικαλύπτονται. Η ομάδα εξέτασε επίσης τη χρωματίνη, τη μοριακή δομή που συσκευάζει το DNA μέσα στον πυρήνα του κυττάρου και συμβάλλει στη ρύθμιση των γονιδίων που μπορεί να χρησιμοποιήσει κάθε κύτταρο.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι δύο πληθυσμοί κυττάρων παρουσιάζουν διαφορετικές διαμορφώσεις χρωματίνης. Το εύρημα αυτό ενισχύει περαιτέρω την υπόθεση ότι ακολουθούν ξεχωριστές αναπτυξιακές πορείες. Η ανακάλυψη αυτή ενδέχεται να εξηγεί γιατί οι προσπάθειες των επιστημόνων να καλλιεργήσουν νευρώνες του οπίσθιου εγκεφάλου έχουν αποτύχει σε μεγάλο βαθμό.
«Οι προηγούμενες προσπάθειες παραγωγής νευρώνων του οπίσθιου εγκεφάλου πιθανότατα επιχείρησαν να κατευθύνουν πρόδρομα κύτταρα του πρόσθιου εγκεφάλου και του μεσεγκεφάλου ώστε να μετατραπούν σε κύτταρα του οπίσθιου εγκεφάλου. Η μελέτη μας δείχνει ότι αυτό δεν είναι εφικτό» δήλωσε σε ανακοίνωση ο συν-συγγραφέας της μελέτης, Ράγιαν Τζοκχάι μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριο του Λοχ.
Γιατί είναι σημαντική η ανακάλυψη
Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα που προέκυψαν από τα πειράματά τους, οι ερευνητές κατάφεραν να καθοδηγήσουν ανθρώπινα βλαστοκύτταρα, ώστε να μετατραπούν σε λειτουργικούς κινητικούς νευρώνες του οπίσθιου εγκεφάλου, οι οποίοι συμμετέχουν στον έλεγχο των κινήσεων.
Συγκεκριμένα, τα κύτταρα αυτά παρήγαγαν πρωτεΐνες χαρακτηριστικές των περιοχών του οπίσθιου εγκεφάλου που είναι δύσκολο να αναπτυχθούν στο εργαστήριο. Οι περιοχές αυτές συμβάλλουν στον έλεγχο των μυών του προσώπου, καθώς και των μυών που συμμετέχουν στην κατάποση.
Σε αρκετές νευρολογικές ασθένειες, μεταξύ των οποίων η νωτιαία μυϊκή ατροφία και η αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση (ALS), οι κινητικοί νευρώνες εκφυλίζονται. Ως αποτέλεσμα, οι ασθενείς μπορεί να χάσουν την ικανότητά τους να καταπίνουν, να μιλούν και να αναπνέουν χωρίς υποστήριξη.
«Δεν μπορούμε να πάρουμε δείγματα ζωντανών κινητικών νευρώνων από τον οπίσθιο εγκέφαλο ενός ασθενούς, ώστε να παρακολουθήσουμε πώς αυτές οι ασθένειες προσβάλλουν τους νευρώνες. Η καλλιέργεια αυτών των κινητικών νευρώνων του οπίσθιου εγκεφάλου στο εργαστήριο μάς δίνει τη δυνατότητα να διερευνήσουμε αυτές τις ασθένειες» λέει ο Λοχ.
Στο επόμενο στάδιο η ερευνητική ομάδα σκοπεύει να αξιοποιήσει τα ευρήματά της για να μελετήσει αυτές τις παθήσεις και να εντοπίσει νέες θεραπευτικές προσεγγίσεις. Τα νέα ευρήματα θα μπορούσαν επίσης να αποκαλύψουν κάτι θεμελιώδες σχετικά με την εξέλιξη των σπονδυλωτών ζώων.
Οι συγγραφείς της μελέτης διερεύνησαν εάν οι δύο αναπτυξιακές πορείες είναι μοναδικές για τον άνθρωπο ή εάν αντανακλούν μια πολύ παλαιότερη εξελικτική διάταξη. Για τον σκοπό αυτό εξέτασαν δεδομένα από προηγούμενες έρευνες σε άλλα είδη μεταξύ των οποίων μακάκοι (Macaca), ζεβρόψαρα (Danio rerio) και κοτόπουλα (Gallus gallus domesticus).
Και σε αυτά τα είδη εντόπισαν δύο διακριτούς πληθυσμούς κυττάρων που εξέφραζαν τα δύο βασικά γονίδια. Ακόμη και στους πτερότρητους σκώληκες, θαλάσσια ασπόνδυλα των οποίων η εξελικτική γραμμή διαχωρίστηκε από εκείνη των σπονδυλωτών πριν από περίπου 550 εκατομμύρια χρόνια οι ερευνητές εντόπισαν ξανά αυτές τις δύο διακριτές ομάδες κυττάρων.
«Η ανακάλυψη καταδεικνύει ότι η βαθιά εξελικτική καταγωγή του εγκεφάλου των σπονδυλωτών βασίζεται ουσιαστικά σε μια αρθρωτή οργάνωση» δήλωσε η Άννα Ντι Κόσμο καθηγήτρια βιολογίας στο Πανεπιστήμιο Federico II της Νάπολης στην Ιταλία, η οποία δεν συμμετείχε στη μελέτη.
«Ο αναπτυξιακός διαχωρισμός μεταξύ της πρόσθιας γενεαλογικής γραμμής. του πρόσθιου εγκεφάλου και του μεσεγκεφάλου και της οπίσθιας γραμμής του οπίσθιου εγκεφάλου ανάγεται σε πολύ αρχαία εξελικτική περίοδο», ανέφερε η Ντι Κόσμο στο Live Science.
Η ομάδα του Λοχ διατυπώνει την υπόθεση ότι αυτές οι διαφορετικές αναπτυξιακές πορείες που παρατηρούνται κατά την εμβρυϊκή ανάπτυξη ενδέχεται να υποδηλώνουν πως οι δύο πληθυσμοί κυττάρων ανήκαν κάποτε σε δύο ξεχωριστά νευρικά συστήματα. «Σε μεταγενέστερο στάδιο της εξέλιξης, αυτά τα δύο νευρικά συστήματα ενδέχεται να ενώθηκαν, δημιουργώντας την εικόνα ενός ενιαίου, ολοκληρωμένου εγκεφάλου» λέει ο Λοχ.
Ωστόσο η μελέτη δεν αποκαλύπτει πότε ακριβώς εμφανίστηκαν οι δύο αναπτυξιακές πορείες ούτε εξηγεί πώς ενσωματώθηκαν μεταξύ τους. «Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι πρόκειται απλώς για μια υπόθεση η οποία ενδέχεται να αλλάξει καθώς οι επιστήμονες αποκτούν περισσότερες γνώσεις» καταλήγει ο Λοχ.
Naftemporiki.gr
The post Ο ανθρώπινος εγκέφαλος αποτελείται από 2 ξεχωριστά νευρικά συστήματα αναφέρει νέα έρευνα appeared first on SciNews.eu.
