Pētījums nerāda, ka cilvēkiem būtu divas smadzenes

Pagājušās nedēļas nogalē parādījās virsraksti, kuros apgalvots, ka jauns pētījums liecinot — cilvēkiem ir divas smadzenes, nevis viena, ko parasti redzam magnētiskās rezonanses attēlos. Šāds secinājums radās no vienas universitātes izplatīta preses paziņojuma, taču tas neatspoguļo pētījuma rezultātu būtību.

Cilvēkiem nav divu smadzeņu. Pētījums rāda ko daudz interesantāku: nervu sistēmas attīstības sākumā dažādas šūnu grupas jau agri iegūst atšķirīgu attīstības virzienu. Tas palīdz izskaidrot, kā no sākotnēji samērā vienkāršas šūnu kārtas izveidojas sarežģīta smadzeņu struktūra ar atšķirīgiem reģioniem un funkcijām.

Kā nervu sistēmā veidojas atšķirīgi reģioni

Ķermeņa segmentācija, iespējams, visbiežāk saistās ar vēžveidīgajiem un kukaiņiem, tomēr arī mugurkaulnieku nervu sistēma attīstās segmentos. Tajā izšķir četrus lielus reģionus — priekšsmadzenes, vidussmadzenes, aizmugurējās smadzenes un muguras smadzenes. Jaunais pētījums galvenokārt pievēršas jautājumam, kā šie reģioni vispār izveidojas.

Šāds jautājums ir attīstības bioloģijas pamatā. Šī zinātnes nozare pēta, kā organisms sākotnēji veidojas no vienas šūnas un, virknei precīzi saskaņotu procesu norisinoties noteiktā secībā, izveido visus pieauguša organisma audus.

Līdz brīdim, kad embrijā parādās pirmās šūnas, kas noteikti attīstīsies par neironiem, tas jau ir sadalījis galvas un astes, kā arī muguras un vēdera virzienu. Šajā posmā embriju veido trīs galvenie audi. Endoderma vēlāk izklās gremošanas sistēmu, mezoderma veidos muskuļus un kaulus, bet ektoderma — ādu.

Nervu šūnas sāk veidoties kā ektodermas sabiezējums, kas stiepjas pa embrija viduslīniju no galvas līdz astei. Šī sabiezējuma centrālā daļa ieliecas uz leju, bet sāni paceļas uz augšu. Galu galā veidojas ovālas formas caurule, kas atdalās no pārējās ektodermas. No šīm šūnām izveidojas viss — sākot ar signāliem, kas pārvietojas pa mugurkaulu, un beidzot ar skaņu, formu un domu apstrādi smadzenēs.

Mugurkaulnieka embrija attīstības laikā sākumā virs ektodermas nav nekā cita. Embrija kreisās un labās puses vidū ektoderma sabiezē un iegūst nervu audu likteni. Pēc tam nervu šūnu priekšteči pārkārtojas dziļas V formas struktūrā, kuras abas malas beigās saskaras un saplūst, izveidojot nervu cauruli.

Vispārējais process mugurkaulniekiem ir līdzīgs, taču dažādām sugām tas notiek atšķirīgi. Pelēm nervu audu veidošanās gandrīz vienlaikus norisinās visā virzienā no galvas līdz astei. Cāļiem process sākas galvā un lēnām virzās uz asti, tāpēc brīdī, kad jau veidojas smadzeņu struktūras, daļa šūnu, kas vēlāk veidos muguras smadzenes, vēl nav pat “zinājusi”, ka kļūs par nervu šūnām. Kurkuļiem sākumā izveidojas salīdzinoši vienkāršs muguras smadzeņu aizmetnis, kas pārvēršanās par vardi laikā tiek paplašināts un pārkārtots.

Šūnas agrīni iegūst atšķirīgus attīstības likteņus

No pirmā acu uzmetiena visas jaunizveidotās nervu šūnas izskatās vairāk vai mazāk vienādas. Tāpēc rodas jautājums: kā nervu sistēmas atsevišķie reģioni atrod savu vietu?

Šūnām, no kurām veidojas nervu audi, varētu būt divi iespējamie informācijas avoti. Pirmkārt, ektodermas šūnas jau pirms nervu šūnu izveidošanās varētu “zināt”, kurā embrija daļā tās atrodas, un nodot šo pozicionālo informāciju savām pēctecēm. Otrkārt, pēc nervu šūnu izveidošanās to neiroloģiski neitrālie kaimiņi varētu nosūtīt signālus, kas norāda atrašanās vietu. Piemēram, šūnas galvas pusē varētu radīt citu signālmolekulu kopumu nekā šūnas astes pusē.

Jaunais darbs balstās uz desmitgadēm ilgiem pētījumiem, kuros identificēti vairāki agrīnas attīstības regulatori. Viens no iepriekšējiem atklājumiem liecina, ka agrīna embrija ektoderma aktivizē divus gēnus — vienu priekšējā, otru aizmugurējā embrija pusē. Tas nozīmē, ka nervu šūnas vismaz daļu informācijas par savu atrašanās vietu var mantot no ektodermas, no kuras tās izveidojušās.

Pētnieki pārveidoja šo gēnu kopijas tā, lai tie aktivizētu fluorescējošus proteīnus ikreiz, kad gēns tika pārrakstīts olbaltumvielā. Tādējādi viņi izveidoja peles, kuru agrīnās ektodermas viena puse spīdēja sarkanā, bet otra — ciāna krāsā. Šīs krāsas saglabājās, embrijam veidojot nervu šūnas un tām sākot attīstīties par smadzeņu audiem.

Rezultāts bija izteikts: aizmugurējās smadzenes spīdēja sarkanā, bet pārējās smadzeņu daļas — zilganā krāsā. Mantotā pozicionālā informācija bija izveidojusi vienu no būtiskajām robežām smadzenēs. Tiklīdz šūnas “zināja”, ka tās nākotnē kļūs par neironiem, tās jau atšķīra, vai varētu veidot aizmugurējo smadzeņu daļu, nevis vidussmadzenes vai priekšsmadzenes. Tieši no šī rezultāta preses paziņojumā, visticamāk, radās pārspīlētais stāsts par “divām smadzenēm”.

Citos eksperimentos pētnieki ar līdzīgiem ģenētiskiem rīkiem aktivizēja fluorescējošu proteīnu atsevišķās agrīnās ektodermas šūnās. 96 procentos gadījumu vienas šūnas pēcteces atradās vai nu tikai aizmugurējās smadzenēs, vai tikai vidussmadzenēs un priekšsmadzenēs.

Līdzīgas parādības pētnieki novēroja arī cilvēka cilmes šūnās. Atbilstoši signāli šūnām norādīja, kādā virzienā tām attīstīties, un nervu šūnas šo informāciju pārņēma. Ja pētnieki vēlējās iegūt neironus, kas sastopami tikai aizmugurējās smadzenēs, cilmes šūnas vispirms vajadzēja novirzīt uz aizmugurējo smadzeņu attīstības ceļu.

Tomēr 96 procenti nav 100 procenti, tāpēc agrīnā attīstībā acīmredzot saglabājas zināma elastība. Nav skaidrs, vai atlikušie gadījumi skaidrojami ar eksperimentālās sistēmas ierobežojumiem vai ar to, ka uz robežas starp ektodermas priekšējo un aizmugurējo daļu esošās šūnas var mainīt savu likteni, ja tās nedaudz pārvietojas atbilstošā virzienā. Agrīnā attīstība norisinās ļoti ātri, turklāt nav pilnībā skaidrs, kā novēroto šūnu kustības laiks salīdzināms ar to gēnu darbības laiku, kas tika izmantoti šūnu marķēšanai.

Arī citas būtiskās robežas vēl nav izprastas tik labi. Atšķirības starp vidussmadzenēm un priekšsmadzenēm, šķiet, rodas vēlāk un lielā mērā saistītas ar signālmolekulām, kas izplatās pa attīstības stadijā esošajām smadzenēm un nodrošina pozicionālu informāciju. Savukārt par to, kā aizmugurējās smadzenes un muguras smadzenes iegūst atšķirīgus attīstības likteņus, zināms daudz mazāk. Jaunajā pētījumā šim jautājumam veltīta tikai viena atsauce. Tā liecina, ka arī šie likteņi tiek nodalīti ļoti agrīni, tomēr vajadzīgi turpmāki pētījumi.

Kāpēc agrīna smadzeņu sadalīšanās ir svarīga

Smadzeņu un muguras smadzeņu dažādie reģioni vēlāk veido atšķirīgas struktūras un pilda atšķirīgas funkcijas. Tādēļ ir svarīgi, lai to identitātes tiktu noteiktas agri — patiesībā tas ir būtiski, lai šie reģioni vispār varētu attīstīties tik dažādi.

Tam ir vismaz divi galvenie iemesli. Pirmkārt, atšķirīga identitāte ļauj šūnām uz vienu un to pašu signālu reaģēt atšķirīgi. Agrīnā stadijā nervu sistēma ir samērā vienkārša caurule, ko gandrīz visā garumā ietekmē divi galvenie signāli. Molekula, ko sauc par sonic hedgehog, izplatās no caurules apakšas, bet no augšas iedarbojas BMP molekulu grupa.

Varētu sagaidīt, ka visas nervu šūnu priekšteces uz šiem signāliem reaģēs vienādi. Taču tā nenotiek. Segmenta identitāte virza signālus uz pārklājošos, bet atšķirīgos reakciju kopumiem dažādos smadzeņu un muguras smadzeņu reģionos. Kad BMP signālus uztver vidussmadzeņu šūnas, tās reaģē citādi nekā muguras smadzeņu šūnas. Agrīna nervu sistēmas sadalīšana ļauj šūnām mantot attīstības vēsturi, kas ierobežotam signālu skaitam dod iespēju izraisīt ļoti lielu sarežģītību.

Attīstības vēsture ļauj arī atkārtoti izmantot tos pašus signālus. BMP molekulas sākotnēji norāda, vai šūnām attīstīties par neironiem. Vēlāk tās palīdz noteikt, kādu identitāti iegūs nobriedušie neironi. Vēl vēlāk BMP signāli palīdz virzīt nobriedušu neironu pārvietošanos attīstošajā mugurkaulā. Tādējādi organismam nav jāizveido pilnīgi jaunas signālu sistēmas katram attīstības posmam.

Otrs iemesls ir tas, ka robeža starp nervu sistēmas segmentiem var kļūt par īpašu vidi, kur šūnas saņem ietekmi no abām blakus esošajām identitātēm. Piemēram, uz robežas starp vidussmadzenēm un aizmugurējām smadzenēm šūnas aktivizē īpašu gēnu kopumu, kurā ietilpst signālmolekulas. Tās vēlāk ietekmē audu attīstību abās robežas pusēs.

Kā varētu gaidīt, robežā radītie signāli vidussmadzeņu un aizmugurējo smadzeņu šūnās izraisa atšķirīgas reakcijas, jo šiem diviem segmentiem ir atšķirīga attīstības vēsture.

Vienas smadzenes ar vairākiem atšķirīgiem reģioniem

Jaunais darbs neko nesaka par to, ka cilvēkam būtu divas smadzenes. Cilvēkam ir vienas smadzenes ar vairākiem skaidri atšķirīgiem reģioniem. Pētījums toties papildina izpratni par to, kā no plakanas šūnu kārtas, kas tikai dažas stundas iepriekš būtu varējusi attīstīties par ādu, izveidojas smadzeņu neticamā sarežģītība.

Vienlaikus tas sniedz plašāku ieskatu organisma attīstībā kopumā un parāda, kādi eksperimenti ļauj pētīt šos procesus. Tāpēc pētījuma patiesā nozīme nav hipotētisku “otro smadzeņu” atklāšana, bet gan labāka izpratne par to, kā šūnas ļoti agri iegūst atšķirīgus likteņus un vēlāk no tiem izveidojas vienota, funkcionējoša nervu sistēma.