To, co jsme vždy považovali za jediný orgán, by ve skutečnosti mohlo být výsledkem sloučení dvou nezávislých neuronových sítí, které evoluce postupně sbližovala, až se spojily pod jednou lebkou. Tak to uvádí výzkum vedený Kylem Lohem, docentem vývojové biologie na Stanfordově univerzitě, který právě vyšel v časopise Nature Neuroscience.
Klasický model vývoje mozku tvrdil, že k vytvoření celého mozku stačí v počátečních fázích embrya jediná populace progenitorových buněk. Lohův tým tuto představu vyvrací: přední a zadní část mozku se vyvíjejí odlišně téměř od samého počátku.
Klíč k tomuto poznatku se objevil při zkoumání gastrulace, časného embryonálního stadia, ve kterém se tělo začíná organizovat do vrstev a základních os. U myších embryí identifikovali vědci dvě jasně odlišitelné buněčné skupiny. Jedna z nich aktivovala gen Otx2 a byla určena k vytvoření prosencefala a mezencefala, oblastí, v nichž sídlí schopnosti jako řeč, vědomí nebo abstraktní uvažování. Druhá skupina exprimovala gen Gbx2 a vytvářela romboencefalon, oblast zahrnující mozkový kmen, která řídí životně důležité funkce, jako je dýchání, srdeční rytmus, spánek a částečně i kontrolu chuti k jídlu, a navíc řídí svalstvo obličeje, jazyka a hrdla.
Ještě více vypovídající je skutečnost, že obě populace zůstávaly oddělené a sledovaly paralelní vývojové dráhy, aniž by se mísily. Vědci ze Stanfordu analyzovali chromatin, molekulární systém, který balí DNA a rozhoduje o tom, které geny se mohou aktivovat, a zjistili, že obě buněčné rodiny vykazovaly radikálně odlišné konfigurace. Každá skupina byla od samého počátku předurčena ke svému osudu.
„Poprvé jsme prokázali, že přední část mozku vzniká z předkové buňky zcela odlišné od té, z níž vzniká zadní část,“ zdůrazňuje Loh.
Chybějící článek v biologii kmenových buněk
Tento objev navíc řeší hádanku, která již desítky let trápila odborníky na kmenové buňky. Ačkoli se laboratořím podařilo vytvořit mnoho typů lidských neuronů, výroba neuronů z romboencefalonu se jevila jako obzvláště obtížná. Rayyan Jokhai, spoluautor studie, poukazuje na to, že předchozí pokusy zřejmě selhaly, protože vycházely z progenitorových buněk určených pro prosencefalon a mezencefalon, což je přeměna, která se podle nových údajů ukazuje jako nemožná.
„V biologii kmenových buněk vždy panuje posedlost vytvořením konečné buňky, jako je například neuron,“ přiznává Jokhai. „Je však důležité začít v raných fázích embryonálního vývoje. Právě díky tomu, že jsme se zaměřili na tento raný okamžik, se nám podařilo objevit toto zásadní rozdělení.“
Po pochopení původu se skupině ze Stanfordu podařilo něco dosud nevídaného: z lidských pluripotentních kmenových buněk vyprodukovali v laboratoři funkční motorické neurony z romboencefala. Tyto buňky vykazovaly elektrickou aktivitu a syntetizovaly proteiny typické pro oblasti, které řídí pohyby obličeje a polykání.
Nové cesty ve výzkumu devastujících onemocnění
Dostupnost těchto neuronů na kultivační destičce představuje zásadní pokrok ve studiu spinální svalové atrofie a amyotrofické laterální sklerózy. Obě tyto nemoci napadají motorické neurony a mohou nakonec ohrozit i takové základní funkce, jako je polykání nebo dýchání. Vzhledem k tomu, že není možné odebrat tkáň z mozkového kmene živých pacientů, nabízí tento nový experimentální model bezprecedentní alternativu.
Architektura stará více než 500 milionů let
Dosah tohoto objevu sahá daleko za hranice savců. Při srovnání embryonálního vývoje kuřat, zebřiček a žížal, mimo jiné, vědci zjistili stejný duální vzorec progenitorových systémů. To klade počátek této mozkové architektury do doby před více než 500 miliony let.
„Náš výzkum naznačuje, že evoluce vzala dva již existující neuronální systémy a prostorově je posunula, až se spojily,“ uzavírá Loh. „Mít mozek jako jeden jediný orgán by pravděpodobně bylo efektivnější, ale spoléháme se na tuto prapůvodní formu jeho sestavení ze dvou oddělených částí.“ Slovo ‚mozek‘ implikuje souvislý orgán, který má pravděpodobně jediný původ, ale již před 500 miliony let existovaly tyto oddělené neuronální systémy, které nyní fungují téměř jako jeden.“
Možná to, čemu říkáme mozek, nikdy nebylo monolitickou entitou. Jednoduše se v průběhu stovek milionů let dva nezávislí aktéři naučili působit na stejné scéně.