Один мозг, а не два: что на самом деле показало новое исследование о развитии нервной системы
Неудачный пресс-релиз — хороший повод разобраться, как устроена биология развития.
В конце прошлой недели начали появляться заголовки о том, что новое исследование якобы показывает: у нас два мозга, а не один, который видно на МРТ. Как это часто бывает, слухи восходят к единственному пресс-релизу, выпущенному одним из университетов, где выполнялась работа.
Двух мозгов у вас нет. Это нелепый способ трактовать результаты новой статьи.
Но есть куда лучшие способы посмотреть на эти результаты — такие, которые помогают понять, как собирается мозг, и проясняют общие идеи биологии развития. Поэтому давайте разберёмся, что на самом деле показало исследование, и поместим его в контекст развития мозга.
Где вы находитесь?
Вы можете думать, что сегменты тела бывают у ракообразных и насекомых. Но наша нервная система тоже развивается сегментами. У позвоночных их четыре основных: передний мозг, средний мозг, задний мозг и спинной мозг. Некоторые из них позже делятся на собственные сегменты, но это мы пропустим. Новая работа во многом отвечает на очевидный вопрос: откуда берутся эти сегменты?
Подобные вопросы — хлеб биологии развития, области, которая изучает, как организм, начинаясь с одной клетки, через серию точно выверенных по времени и выстроенных процессов создаёт все ткани взрослого существа.
Чтобы подойти к вопросу, нужен контекст. К моменту появления первых клеток, которым предстоит стать нейронами, эмбрион позвоночного уже знает, где у него голова, а где хвост, где спина, а где живот. Как он это узнаёт, мы разбирать не будем, хотя об этом тоже много известно. Тогда эмбрион состоит из трёх тканей: энтодермы, из которой образуется кишечник, мезодермы, дающей мышцы и кости, и эктодермы, из которой получится кожа.
Нервные клетки формируются как утолщение эктодермы, идущее по центру эмбриона от головы к хвосту. Середина этого плотного слоя клеток опускается, а края поднимаются, в итоге образуя овальную трубку, которая отделяется от остальной эктодермы. Все сигналы, бегущие по вашему позвоночнику, каждый звук и образ, который вы обрабатываете, каждая мысль, которая у вас когда-либо будет, — всё это и многое другое зависит от потомков этих клеток.
Хотя это описывается как «как развиваются позвоночные», у них есть важные различия. У мышей нервная ткань формируется почти одновременно по всей длине от головы до хвоста. У кур процесс начинается в голове и медленно движется к хвосту, так что структуры мозга уже формируются, когда часть будущего спинного мозга ещё не «знает», что станет нервной клеткой. А у головастиков образуется довольно простой спинной мозг, который расширяется и перестраивается при превращении в лягушку. Общий процесс у всех позвоночных похож, но многие виды приспособили его к разным стилям развития.
Судя по всему, все эти новообразованные нервные клетки выглядят более или менее одинаково. Так мы возвращаемся к исходному вопросу: как формируются сегменты нервной системы?
Вспомним: к моменту, когда эти клетки начинают формироваться, эмбрион уже знает, где голова, а где хвост. Отсюда вытекают две простые возможности. Первая — клетки эктодермы, из которых образуются нервные клетки, уже знают своё положение, и нейроны наследуют эту позиционную информацию. Альтернатива — после образования нервных клеток их ненейронные соседи могут посылать им сигналы, сообщающие, где они находятся. Тогда, если клетки в голове производят иной набор сигнальных молекул, чем клетки в хвосте, это передаёт позиционную информацию развивающейся нервной системе, указывая, где формировать мозг, а где — спинной мозг.
Разделение мозга
Новая работа опирается на десятилетия исследований, выявивших множество ключевых регуляторов ранних процессов. Одна из прежних находок состояла в том, что эктодерма раннего эмбриона активирует два гена: один в передней половине эмбриона, другой в задней. Значит, нервные клетки могут унаследовать хотя бы грубую позиционную информацию от эктодермы, из которой они образуются.
Ключевой момент работы в том, что исследователи модифицировали копию этих генов так, чтобы она активировала флуоресцентные белки везде, где ген транслировался в белок. Так они получили мышей, у которых половина ранней эктодермы светилась красным, а другая — голубым. Цвета сохранялись, когда эмбрион формировал нервные клетки и те начинали развиваться в мозг.
Выяснилось: задний мозг светился красным, а остальная часть мозга — синим. Унаследованная позиционная информация задала одну из ключевых границ в мозге. Иными словами, как только клетки понимают, что со временем станут нейронами, они знают, смогут ли стать частью заднего мозга, но не среднего или переднего. Примерно отсюда и взялась идея «двух мозгов» в пресс-релизе.
Другие эксперименты развили эту мысль. Похожие генетические инструменты позволили активировать флуоресцентный белок в отдельных клетках ранней эктодермы. Оказалось, что в 96 процентах случаев потомки таких одиночных клеток оказывались все в заднем мозге либо все в среднем и переднем мозге. Исследователи работали и с человеческими стволовыми клетками и показали похожее: под действием нужных сигналов стволовые клетки «узнавали», где находятся, а нервные клетки наследовали эту информацию по мере формирования. Чтобы получить нейроны, встречающиеся только в заднем мозге, стволовые клетки сначала нужно направить по «заднемозговому» пути.
Разумеется, какая-то гибкость здесь остаётся: наблюдаемое в 96 процентах случаев исключающее поведение — не 100 процентов. Неясно, объясняется ли это ограничением экспериментальной системы или просто тем, что клетки на границе между передней и задней частями эктодермы могут сменить судьбу, если немного сместятся в нужную сторону. В раннем развитии всё происходит очень быстро, и также неясно, как соотносится наблюдаемая нами хронология с работой генов, которыми помечали разные клетки.
Ещё меньше определённости с другими ключевыми границами. Различия между средним и передним мозгом, судя по всему, возникают позже и во многом за счёт сигнальных молекул, которые диффундируют по развивающемуся мозгу и дают позиционную информацию. А вот о том, как задний мозг и спинной мозг приобретают разные судьбы, известно очень мало: в новой статье приводится лишь одна ссылка по теме. Она предполагает, что и они разделяются очень рано, но здесь, похоже, нужны дополнительные исследования.
Почему это вообще важно?
Очевидно, что разные области мозга и спинного мозга впоследствии образуют очень разные структуры и выполняют очень разные функции. Поэтому формирование этих сегментов важно. Но важно и то, что разные «идентичности» устанавливаются рано — фактически это необходимо для их способности развиваться столь по-разному.
Для этого есть две ключевые причины. Первая: разная идентичность позволяет клеткам по-разному отвечать на один и тот же сигнал. Например, на раннем этапе, когда система представляет собой относительно простую трубку, практически вся нервная система подвергается действию двух сигналов: молекула sonic hedgehog диффундирует снизу трубки, а группа молекул BMP — сверху.
Можно было бы ожидать, что раз все клетки трубки — предшественники нейронов, они ответят на одни и те же сигналы одинаково. Но это не так. Их сегментная идентичность направляет сигналы в перекрывающиеся, но различающиеся наборы реакций в разных областях мозга. Иными словами, клетки среднего мозга реагируют на BMP не так, как клетки спинного мозга. Разделив нервную систему рано, клетки наследуют историю развития, которая позволяет ограниченному числу сигналов запускать огромную сложность.
То, как история развития меняет интерпретацию, позволяет и переиспользовать сигналы. Сначала BMP говорят клеткам, развиваться ли им в нейроны. Позже они сообщают развивающимся нейронам, какую идентичность принять после созревания. Ещё позже BMP помогают направлять миграцию зрелых нейронов в развивающемся позвоночнике. Нам не нужно изобретать полностью новые сигнальные системы, чтобы делать разные вещи.
Второе: стык между сегментами может быть особой средой, где клетки подвергаются влиянию обеих соседних идентичностей. На границе среднего и заднего мозга, например, клетки активируют особый набор генов, включая сигнальные молекулы, которые затем влияют на развитие соседних тканей по обе стороны границы. Как и следовало ожидать из сказанного выше, эти сигналы на границе запускают разные реакции в среднем и заднем мозге — ведь у этих сегментов разная история развития.
Хотя новая работа ничего не говорит о том, сколько у вас на самом деле мозгов — один, но с несколькими разными областями внутри, — она добавляет ещё один фрагмент в загадку того, как невероятная сложность нашего мозга возникает из плоского слоя клеток, которые всего несколько часов назад с радостью превратились бы в кожу. И она даёт прекрасное окно в то, как вообще работает развитие организмов и какие эксперименты помогают — сколько бы мозгов у нас ни было — понять эти процессы.
Коротко о главном: новая работа показывает, что будущий задний мозг и остальная часть мозга получают позиционную информацию ещё до того, как нервные клетки окончательно сформировались, — эту информацию они наследуют от эктодермы, из которой образуются. Речь идёт не о «втором мозге», а об одной из самых ранних границ внутри одного мозга: она помогает разным его отделам по-разному реагировать на одни и те же сигналы и в итоге строить совершенно непохожие структуры. Позднее та же логика повторяется на других границах — например, между средним и задним мозгом, где клетки активируют особый набор генов и влияют на соседние ткани по обе стороны стыка.
И это хороший пример того, как рождаются сенсации о науке: аккуратный результат о наследовании позиционной информации превращается в заголовки о «двух мозгах», а самое интересное — как из плоского слоя клеток вообще получается столь сложная структура — остаётся за кадром. Открытых вопросов здесь по-прежнему много: границы между средним и передним мозгом формируются иначе, а о разделении заднего мозга и спинного мозга, по сути, известно совсем немного. Так что работа задаёт направление для дальнейших экспериментов, а не ставит точку.
