Мозг собирается из двух частей: исследование переворачивает представления о его развитии

Недавнее исследование ставит под сомнение давнее представление о том, как развивается мозг: согласно исследованию, мозг может возникать не из одного источника, а из двух различных популяций клеток.

«Мозг выглядит как один орган, — сказал соавтор исследования Кайл Ло, доцент кафедры биологии развития Стэнфордского университета. — Однако мы обнаружили, что передняя часть мозга и задняя часть мозга происходят из разных источников, которые сдвигаются вместе, создавая видимость единого органа», — рассказал Ло.

Результаты, опубликованные в сентябре в журнале Nature Neuroscience, не только бросают вызов established моделям формирования мозга, но и могут объяснить, почему исследователи испытывали трудности с выращиванием определённых типов клеток мозга в лаборатории. По словам учёных, работа может предложить новые способы исследования заболеваний, поражающих ствол мозга — «стебель», соединяющий мозг со спинным мозгом.

Два пути развития

Человеческий мозг делится на три основных региона — передний мозг (forebrain), средний мозг (midbrain) и задний мозг (hindbrain), — которые выполняют разные, но взаимосвязанные функции.

Передний мозг, включающий полушария головного мозга, участвует в высших когнитивных процессах, таких как язык, планирование и абстрактное мышление. Средний мозг, верхняя часть ствола мозга, соединяет передний и задний мозг и действует как ключевой релейный центр сенсорной информации и контроля движений. Задний мозг — включающий нижнюю часть ствола мозга и другие структуры — также помогает координировать движения и регулировать жизненно важные функции, такие как дыхание, сон и сердечный ритм.

Исторически задний мозг было трудно изучать. Одна из причин — учёные сталкивались с постоянными трудностями при генерации функциональных нейронов заднего мозга в лабораторных условиях.

Чтобы понять почему, Ло и его команда изучили ранние стадии эмбрионального развития у лабораторных мышей. Они сосредоточились на гаструляции — моменте, когда клетки начинают организовываться в структуры, которые позже сформируют разные органы. Исследователи выявили две различные популяции незрелых клеток, которые впоследствии дадут начало нервной ткани, включая мозг.

Одна популяция клеток экспрессировала ген Otx2, который помогает направлять раннее развитие переднего и среднего мозга. Вторая группа клеток экспрессировала ген Gbx2, участвующий в развитии среднего и заднего мозга.

Функции этих генов были уже известны, но их различная экспрессия в этих двух группах клеток была выявлена новым исследованием. Популяции клеток оставались различными по мере развития в полноценную нервную ткань, а не перекрывались.

Команда также изучила хроматин — молекулярную структуру, которая плотно упаковывает ДНК внутри ядра и помогает регулировать, какие гены может использовать клетка. Команда обнаружила, что две популяции клеток имеют разные конфигурации хроматина, что дополнительно подтверждает идею о том, что они следуют отдельным путям развития.

Это может помочь объяснить, почему попытки учёных вырастить нейроны заднего мозга были в основном безуспешными.

«Предыдущие попытки создать нейроны заднего мозга, вероятно, пытались склонить предшественников переднего и среднего мозга стать клетками заднего мозга, что, как показывает наше исследование, невозможно», — сказал в заявлении соавтор исследования Райян Джохай, аспирант лаборатории Ло.

Почему это важно

Используя информацию, обнаруженную в их экспериментах, исследователи успешно направили человеческие стволовые клетки на превращение в функциональные двигательные нейроны заднего мозга, которые участвуют в контроле движений. В частности, эти клетки производили белки, характерные для трудно выращиваемых областей заднего мозга, которые помогают контролировать мышцы лица и мышцы, участвующие в глотании.

При нескольких неврологических заболеваниях, включая спинальную мышечную атрофию и боковой амиотрофический склероз, двигательные нейроны разрушаются, и у поражённых пациентов может утрачиваться способность глотать, говорить и дышать самостоятельно.

«Мы не можем брать образцы живых двигательных нейронов из заднего мозга пациента, чтобы наблюдать, как эти заболевания атакуют эти нейроны, — сказал Ло. — Выращивание этих двигательных нейронов заднего мозга в чашке Петри даёт нам способ исследовать эти заболевания». В дальнейшем команда намерена использовать свои находки для изучения этих болезней и поиска новых методов лечения.

Новые результаты также могут раскрыть нечто фундаментальное об эволюции позвоночных животных.

Авторы исследования проверили, были ли два пути развития уникальны для людей или отражали гораздо более древнюю эволюционную схему. Они обратились к ранее опубликованным данным по другим видам — включая макак (Macaca), рыбок данио (Danio rerio) и кур (Gallus gallus domesticus) — и снова обнаружили две различные популяции клеток, экспрессирующие два ключевых гена.

И даже у желудевых червей — морских беспозвоночных, чья эволюция разошлась с позвоночными около 550 миллионов лет назад, — они снова обнаружили эти две различные группы клеток.

«Открытие Стэнфорда устанавливает, что глубокая родословная мозга позвоночных принципиально модульна, — сказала Анна Ди Космо, профессор биологии Неаполитанского университета имени Федерико II в Италии, не участвовавшая в исследовании. — Разделение развития между передней линией (передний/средний мозг) и задней линией (задний мозг) прослеживается в глубокой древности», — рассказала Космо Live Science в электронном письме.

Команда Ло предполагает, что эти траектории развития, наблюдаемые в утробе, могут указывать на то, что две популяции клеток когда-то принадлежали двум отдельным нервным системам. «Позже в эволюции эти две нервные системы могли быть сдвинуты вместе, чтобы дать начало видимости одного интегрированного мозга», — сказал Ло.

Однако исследование не раскрывает точно, когда возникли два пути и как они интегрировались. «Важно подчеркнуть, что это лишь идея, и она может измениться по мере того, как учёные узнают больше», — сказал Ло.

Источники: Nature Neuroscience (сентябрь 2026 г.), Live Science, Стэнфордский университет, комментарии Кайла Ло, Райяна Джохая и Анны Ди Космо; Jokhai R.T. et al., «Two parallel neural ectoderm progenitors contribute to the developing brain», Nature Neuroscience.