Mózg to dwa narządy, nie jeden — podział sięga 600 milionów lat

Przez pokolenia biolodzy zakładali, że wszystkie komórki mózgu wywodzą się od jednego wspólnego przodka — komórki prekursorowej, która dała początek wszystkim regionom i zróżnicowała się w ich komórki. Okazuje się, że to założenie było błędne.

Badacze z Stanford Medicine wykazali, że przednia i tylna część mózgu rozwijają się z zupełnie odrębnych linii komórkowych, z których każda ma z góry określone przeznaczenie, zanim obie zdążą się ze sobą skomunikować. Jedna populacja była przeznaczona do utworzenia przodomózgowia i śródmózgowia, druga zaś — tyłomózgowia. Oddziela je bariera molekularna, której w toku rozwoju nic nie przekracza. Nie są dwiema gałęziami tego samego drzewa. To dwa różne drzewa, które ewolucja zasadziła obok siebie w tej samej czaszce.

Odkrycie ma znaczenie zarówno dla biologii podstawowej, jak i dla medycyny. Stwardnienie zanikowe boczne (ALS) i rdzeniowy zanik mięśni (SMA) prowadzą do wybiórczego niszczenia neuronów tyłomózgowia — regionu, który naukowcy z trudem badali w laboratorium, bo nie wiedzieli, jak hodować te neurony poza organizmem. Ta przeszkoda właśnie zniknęła.

Polecana lekturaTrzy układy mózgu załamują się jednocześnie między 50. a 75. rokiem życia według mapy hipokampa

Dwaj wędrowcy, którzy nigdy się nie spotykają

Dorosły mózg składa się z trzech głównych części: przodomózgowia, które odpowiada za myślenie, język i świadomość; śródmózgowia, które przekazuje sygnały; oraz tyłomózgowia (pnia mózgu), które bez pytania o zgodę steruje wszystkim, co pozwala nam żyć — biciem serca, oddychaniem i mięśniami umożliwiającymi przełykanie. Prosta hierarchia, a u jej podstaw jedna komórka prekursorowa, z której powstaje cała reszta. Tak głosił standardowy model.

Gdy zespół ze Stanfordu zbadał zarodki myszy podczas gastrulacji — najwcześniejszego etapu, na którym ciało zaczyna się organizować — odkrył coś, co podważyło ten model. Obecne były już dwie różne populacje komórek prekursorowych, z których każda wykazywała ekspresję innego genu. Jedna populacja, oznaczona genem Otx2, była przeznaczona wyłącznie do utworzenia przodomózgowia i śródmózgowia. Druga, oznaczona genem Gbx2, była ukierunkowana na rozwój tyłomózgowia. Te dwa typy komórek nigdy się nie nakładały, nie zamieniały rolami ani nie wytwarzały komórek należących do drugiego typu.

Dowody pochodziły nie tylko ze śledzenia, dokąd trafiają poszczególne komórki, lecz także z badania fizycznego upakowania DNA w każdym z tych typów. Chromatyna — struktura, która decyduje o tym, które geny komórka może aktywować — od samego początku była u każdego rodzaju komórek prekursorowych zasadniczo inna. Każda komórka miała nie tylko instrukcję, by podążać w innym kierunku, lecz także strukturalną niezdolność do obrania jakiejkolwiek innej drogi.

„Wcześniejsze próby uzyskania neuronów tyłomózgowia prawdopodobnie polegały na nakłanianiu komórek prekursorowych przodomózgowia i śródmózgowia do przekształcenia się w komórki tyłomózgowia, co — jak pokazuje nasze badanie — jest niemożliwe” — powiedział Rayyan Jokhai, doktorant i współpierwszy autor pracy. Trwające od dziesięcioleci niepowodzenia laboratoryjne miały proste wyjaśnienie, ukryte u samych początków rozwoju: badacze próbowali uzyskać neurony tyłomózgowia z niewłaściwych komórek wyjściowych.

Dowody sprzed 600 milionów lat

Odkrycie nie było osobliwością zarodków myszy. Zespół ze Stanfordu prześledził 550 milionów lat historii ewolucji i wszędzie znajdował ten sam wzorzec dwóch źródeł: u kur, danio pręgowanych oraz żołędziogłowców — niewielkich stworzeń żyjących na dnie oceanu, które łączy z kręgowcami odległy wspólny przodek. Meduzy, które oddzieliły się od naszej linii rodowej około 600–700 milionów lat temu, mają już dwa odrębne układy nerwowe na przeciwnych końcach ciała.

Wniosek trudno było zignorować: ewolucja nie stworzyła tyłomózgowia i przodomózgowia jako dwóch gałęzi jednego pierwotnego mózgu. Połączyła dwa układy nerwowe, które rozwijały się niezależnie, i stopniowo umieściła je w jednym organizmie.

„Nasze badania sugerują, że ewolucja połączyła przestrzennie dwa istniejące już układy nerwowe” — powiedział Kyle Loh, starszy autor badania i profesor nadzwyczajny biologii rozwoju w Stanford Medicine. „Jeden narząd mózgu byłby prawdopodobnie wydajniejszym rozwiązaniem, ale opieramy się na tym pierwotnym sposobie budowania mózgu z dwóch oddzielnych części”.

„Zaskoczyły mnie nasze wyniki” — dodał Jokhai. „Samo słowo «mózg» sugeruje, że chodzi o jeden spójny narząd, który prawdopodobnie ma jedno źródło. A jednak już 500 milionów lat temu istniały odrębne układy nerwowe, które dziś niemal działają jak jeden”.

Co umożliwia to odkrycie

Dla osób żyjących ze stwardnieniem zanikowym bocznym lub rdzeniowym zanikiem mięśni praktyczne znaczenie tej zmiany jest bezpośrednie. W obu chorobach stopniowo przestają działać neurony tyłomózgowia kontrolujące przełykanie i oddychanie. Chorzy tracą zdolność bezpiecznego połykania, co zwiększa ryzyko zapalenia płuc wskutek przedostania się do dróg oddechowych jedzenia lub płynów, a z czasem także możliwość samodzielnego oddychania. SMA jest najczęstszą genetyczną przyczyną zgonów dzieci przed ukończeniem pierwszego roku życia. ALS diagnozuje się najczęściej między 40. a 70. rokiem życia.

Naukowcy wiedzieli, że obie choroby atakują tyłomózgowie. Badanie ich na szalce wymagało wyhodowania neuronów tyłomózgowia, co okazało się niemal niemożliwe — badacze próbowali uzyskać je z niewłaściwych komórek wyjściowych. Korzystając z właściwego typu komórek prekursorowych, zespół ze Stanfordu po raz pierwszy skłonił ludzkie pluripotencjalne komórki macierzyste do przekształcenia się w funkcjonalne neurony ruchowe tyłomózgowia. Wyhodowane w laboratorium komórki generowały potencjały czynnościowe i wykazywały ekspresję białek charakterystycznych dla tych odcinków tyłomózgowia, które kontrolują twarz, język i gardło.

Istnieje też mniej oczywisty związek: tyłomózgowie zawiera obwody regulujące głód — i właśnie na nie działają takie leki jak semaglutyd, substancja czynna preparatów Ozempic i Wegovy. Możliwość hodowania i badania tych neuronów w laboratorium może w przyszłości pomóc wyjaśnić, jak leki te ograniczają apetyt na poziomie komórkowym.

Co wciąż pozostaje niewyjaśnione

Rozdzielenie na etapie rozwoju zostało potwierdzone. Niewyjaśniony pozostaje mechanizm ewolucyjny — to, jak dokładnie i kiedy dwa układy nerwowe, które rozwijały się niezależnie, zetknęły się i połączyły w narząd, który nazywamy mózgiem. Ta historia obejmuje setki milionów lat i wciąż jest odtwarzana.

Obecne badanie objęło trzy regiony mózgu: przodomózgowie, śródmózgowie i tyłomózgowie. Kolejnym celem badawczym zespołu będzie poznanie rozwojowych początków rdzenia kręgowego.

Należy pamiętać o kilku zastrzeżeniach. Główne badania przeprowadzono na zarodkach myszy; zespół wykorzystał ludzkie pluripotencjalne komórki macierzyste, by potwierdzić wyniki dotyczące tyłomózgowia, ale samej gastrulacji u człowieka nie obserwowano bezpośrednio. Badanie nie ustaliło dokładnie, kiedy populacje Otx2 i Gbx2 po raz pierwszy się różnicują. Możliwość hodowania neuronów tyłomózgowia na szalce to narzędzie badawcze, a nie metoda leczenia — od zastosowania klinicznego dzielą ją lata dalszej pracy.

„Mamy teraz model, który pozwoli lepiej zrozumieć te choroby i pracować nad terapiami regeneracyjnymi” — powiedział Jokhai.

Najczęstsze pytania o dwa źródła mózgu

Czy to znaczy, że mamy dwa osobne mózgi?

Nie w tym sensie, że w jednej czaszce mieszczą się dwa niezależne umysły. Pod względem rozwoju tyłomózgowie (pień mózgu) oraz przodomózgowie i śródmózgowie wywodzą się jednak z zupełnie odrębnych linii komórek prekursorowych, rozdzielonych już od najwcześniejszych etapów rozwoju zarodkowego. U dorosłego człowieka działają jak jeden narząd, ale powstały z dwóch pradawnych układów, które ewolucja stopniowo połączyła.

Jaką funkcję pełni tyłomózgowie?

Tyłomózgowie, czyli pień mózgu, kontroluje automatyczne funkcje niezbędne do życia: oddychanie, bicie serca, regulację snu i sygnalizowanie głodu, a także pracę mięśni twarzy, języka i gardła, które umożliwiają połykanie i mówienie. Przodomózgowie odpowiada za wyższe funkcje: język, rozumowanie, pamięć i świadomość.

Dlaczego odkrycie zajęło tyle czasu?

Model zakładający istnienie jednej komórki prekursorowej nigdy nie został bezpośrednio sprawdzony podczas gastrulacji, najwcześniejszej fazy rozwoju. Wcześniejsze prace laboratoryjne próbowały uzyskać neurony pnia mózgu bez uprzedniego rozróżnienia typów komórek prekursorowych, a wyniki tych prób były niepewne. Zespół ze Stanfordu rozstrzygnął tę kwestię, przyglądając się chwili, w której żadna część mózgu nie przybrała jeszcze rozpoznawalnego kształtu.

Jak to wpływa na badania nad ALS i SMA?

Obie choroby niszczą neurony tyłomózgowia kontrolujące oddychanie i przełykanie. Dotychczas naukowcy nie potrafili niezawodnie hodować tych komórek na szalce. Bez modelu komórkowego badania obu chorób na poziomie molekularnym były niemal niemożliwe. Zespół ze Stanfordu po raz pierwszy wyhodował funkcjonalne ludzkie neurony tyłomózgowia, otwierając drogę do tworzenia modeli chorób i testowania leków zarówno w przypadku ALS, jak i SMA.

Badanie ukazało się w czasopiśmie Nature Neuroscience 18 września. Kolejnym celem zespołu będzie poznanie rozwojowych początków rdzenia kręgowego.

Praktyczne pytanie pozostaje otwarte w obu kierunkach: skoro mechanizmy chorób tyłomózgowia można wreszcie badać na szalce, co jeszcze w dwunarządowej architekturze mózgu pozostawało niewidoczne, gdy punktem wyjścia były niewłaściwe komórki?

Źródło: Dundes and Jokhai et al., „Separable developmental origins of the forebrain/midbrain and hindbrain”, Nature Neuroscience, 2026.

Tagi: neuroscience, ALS, evolutionary biology, brain development, kyle loh, sma

Więcej podobnych

Komórki podporowe mózgu uważano za niezastępowalne — dorosły mózg je zastępuje

Mózg był odizolowany od układu odpornościowego — ale szpik kostny czaszki miał inne plany

Złamać Kod Starzenia: Jak Sztuczna Inteligencja Rewolucjonizuje Odmładzanie Komórkowe

Trzeci przodek krył się w japońskim DNA i obala opowieść o dwóch źródłach

Inwersja sezonu lęgowego: jak ptaki przepisują ewolucyjny zegar

Naukowcy skartowali 160 000 neuronów muszki owocowej — jej nogi poruszają się same