Δύο διαφορετικές διαδρομές από τις πρώτες ημέρες της ζωής
Η ανακάλυψη έγινε όταν οι ερευνητές εξέτασαν ένα από τα αρχαιότερα στάδια της εμβρυϊκής ανάπτυξης, τη λεγόμενη γαστριδίωση, όταν αρχίζει ουσιαστικά να οργανώνεται το σώμα του εμβρύου.
Μελετώντας έμβρυα ποντικών, εντόπισαν δύο διαφορετικούς τύπους πρόδρομων νευρικών κυττάρων.
Ο ένας πληθυσμός, που χαρακτηρίζεται από την έκφραση του γονιδίου Otx2, οδηγεί στον σχηματισμό του πρόσθιου και του μέσου εγκεφάλου.
Ο δεύτερος, ο οποίος συνδέεται με το γονίδιο Gbx2, ακολουθεί διαφορετική αναπτυξιακή πορεία και δημιουργεί τον οπίσθιο εγκέφαλο.
Το ιδιαίτερα ενδιαφέρον εύρημα ήταν ότι οι δύο πληθυσμοί δεν φαίνεται να αποτελούν διακλαδώσεις ενός κοινού προγόνου σε μεταγενέστερο στάδιο. Αντίθετα, εμφανίζονται παράλληλα και παραμένουν διακριτοί ήδη από πολύ νωρίς στην εμβρυϊκή ανάπτυξη.
Ο εγκέφαλος που σκέφτεται και ο εγκέφαλος που μας κρατά ζωντανούς
Στον ενήλικο άνθρωπο διακρίνονται τρεις μεγάλες περιοχές: ο πρόσθιος, ο μέσος και ο οπίσθιος εγκέφαλος.
Ο πρόσθιος εγκέφαλος συνδέεται με ορισμένες από τις πιο σύνθετες λειτουργίες του ανθρώπου, όπως η γλώσσα, η συνείδηση, ο σχεδιασμός και η αφηρημένη σκέψη.
Ο οπίσθιος εγκέφαλος, αντίθετα, συμμετέχει σε λειτουργίες πολύ πιο βασικές αλλά απολύτως αναγκαίες για την επιβίωση. Εκεί βρίσκονται νευρωνικά κυκλώματα που σχετίζονται με την αναπνοή, τον καρδιακό ρυθμό, τον ύπνο, την πείνα αλλά και τον έλεγχο μυών του προσώπου, της γλώσσας και του λαιμού που χρησιμοποιούνται στην κατάποση και την ομιλία.
Με απλά λόγια, πρόκειται για περιοχές που σήμερα λειτουργούν ως ένα ενιαίο και εξαιρετικά συντονισμένο σύστημα, αλλά σύμφωνα με τα νέα δεδομένα μπορεί να έχουν πολύ διαφορετικές αναπτυξιακές και εξελικτικές αφετηρίες.
Μια ιστορία τουλάχιστον 550 εκατομμυρίων ετών
Οι επιστήμονες δεν περιορίστηκαν στα ποντίκια.
Αναζητώντας τις εξελικτικές ρίζες αυτού του διαχωρισμού, εξέτασαν στοιχεία από διαφορετικούς οργανισμούς και εντόπισαν αντίστοιχο μοτίβο σε κοτόπουλα, ψάρια ζέβρα και ακόμη και στα λεγόμενα acorn worms, θαλάσσιους οργανισμούς που μοιράζονται με τον άνθρωπο έναν πολύ μακρινό κοινό πρόγονο.
Τα στοιχεία οδηγούν τους ερευνητές στην υπόθεση ότι αυτή η διπλή οργάνωση του νευρικού συστήματος μπορεί να έχει ιστορία τουλάχιστον 550 εκατομμυρίων ετών.
Ακόμη και οι μέδουσες, οι οποίες χωρίστηκαν εξελικτικά από τη γενεαλογική γραμμή που οδήγησε στον άνθρωπο πριν από περίπου 600 έως 700 εκατομμύρια χρόνια, διαθέτουν διαφορετικά νευρικά συστήματα σε διαφορετικές περιοχές του σώματός τους.
Η υπόθεση των ερευνητών είναι ότι κατά τη διάρκεια της εξέλιξης διαφορετικά αρχαία νευρικά συστήματα βρέθηκαν σταδιακά πολύ κοντά και τελικά ενσωματώθηκαν ανατομικά σε αυτό που σήμερα αντιλαμβανόμαστε ως έναν εγκέφαλο.
Γιατί η ανακάλυψη έχει πρακτική σημασία
Το ενδιαφέρον της μελέτης δεν περιορίζεται στην εξελικτική ιστορία του ανθρώπου.
Εδώ και χρόνια, οι επιστήμονες μπορούσαν να δημιουργούν στο εργαστήριο πολλούς διαφορετικούς τύπους νευρικών κυττάρων από ανθρώπινα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα. Είχαν, όμως, ιδιαίτερη δυσκολία να παράγουν συγκεκριμένους κινητικούς νευρώνες του οπίσθιου εγκεφάλου.
Η νέα έρευνα προσφέρει μια πιθανή εξήγηση: οι προηγούμενες προσπάθειες μπορεί να ξεκινούσαν ουσιαστικά από τη λάθος αναπτυξιακή «αφετηρία».
Αφού αναγνώρισαν τη διαφορετική προέλευση του οπίσθιου εγκεφάλου, οι ερευνητές κατάφεραν να καθοδηγήσουν ανθρώπινα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα ώστε να μετατραπούν σε λειτουργικούς κινητικούς νευρώνες συγκεκριμένων περιοχών του hindbrain.
Τα κύτταρα αυτά εμφάνισαν ηλεκτρική δραστηριότητα και παρήγαγαν χαρακτηριστικές πρωτεΐνες αντίστοιχες με εκείνες των πραγματικών νευρώνων που ελέγχουν, μεταξύ άλλων, τους μύες του προσώπου και της κατάποσης.
Νέες δυνατότητες για ALS και νωτιαία μυϊκή ατροφία
Η δυνατότητα δημιουργίας αυτών των νευρώνων στο εργαστήριο μπορεί να αποδειχθεί ιδιαίτερα σημαντική για τη μελέτη ασθενειών που προσβάλλουν το εγκεφαλικό στέλεχος.
Σε αυτές περιλαμβάνονται η νωτιαία μυϊκή ατροφία και η αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση, γνωστή ως ALS.
Η έρευνα αυτών των παθήσεων αντιμετωπίζει ένα προφανές πρόβλημα: δεν είναι δυνατόν να λαμβάνεται ιστός από το εγκεφαλικό στέλεχος ζωντανών ασθενών για πειραματική μελέτη.
Εάν όμως οι επιστήμονες μπορούν να δημιουργούν τα αντίστοιχα ανθρώπινα νευρικά κύτταρα στο εργαστήριο, αποκτούν ένα νέο εργαλείο για να διερευνήσουν πώς ξεκινούν οι βλάβες, πώς εξελίσσονται και ενδεχομένως πώς θα μπορούσαν να αντιμετωπιστούν.
Είναι τελικά ο εγκέφαλος «δύο όργανα»;
Εδώ χρειάζεται μια σημαντική διευκρίνιση.
Η ανακοίνωση του Stanford Medicine περιγράφει εντυπωσιακά το εύρημα ως έναν εγκέφαλο αποτελούμενο από «δύο ξεχωριστά όργανα», ενώ η ίδια η επιστημονική εργασία μιλά πιο προσεκτικά για ένα σύνθετο όργανο που προκύπτει από δύο διακριτούς, περιορισμένους ως προς τη μοίρα τους κυτταρικούς προγόνους.
Μάλιστα, ένας από τους ερευνητές, ο αναπτυξιακός βιολόγος Kyle Loh, διευκρίνισε στο Nature ότι ο εγκέφαλος εξακολουθεί να είναι ένα όργανο, αλλά «χτίζεται» από δύο διαφορετικά τμήματα που στη συνέχεια συνδέονται και λειτουργούν μαζί. Η ερμηνεία ότι οι δύο κυτταρικές γραμμές είναι απολύτως ανεξάρτητες σε όλη την πρώιμη ανάπτυξη δεν θεωρείται ακόμη λήξαν ζήτημα από ολόκληρη την επιστημονική κοινότητα.
Αυτό, ωστόσο, δεν μειώνει τη σημασία της ανακάλυψης.
Το σημαντικό νέο στοιχείο είναι ότι ο εγκέφαλος ενδέχεται να μην ξεκινά ως μια ενιαία αναπτυξιακή δομή που στη συνέχεια χωρίζεται, αλλά ως δύο παράλληλα νευρικά προγράμματα που τελικά ενώνονται και συνεργάζονται με τέτοια ακρίβεια ώστε, εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια αργότερα, να τα αντιλαμβανόμαστε ως ένα ενιαίο όργανο.
Και αυτή η αλλαγή οπτικής μπορεί να αποδειχθεί σημαντική όχι μόνο για το πώς αντιλαμβανόμαστε την εξέλιξη του ανθρώπινου εγκεφάλου, αλλά και για το πώς θα μελετήσουμε στο μέλλον ορισμένες από τις δυσκολότερες νευρολογικές παθήσεις.
