Έρευνα του Stanford ανατρέπει τη βιολογία: Ο ανθρώπινος εγκέφαλος είναι δύο διαφορετικά όργανα!

Σύνοψη

• Ερευνητές του πανεπιστημίου Stanford ανακάλυψαν ότι ο ανθρώπινος εγκέφαλος δεν αναπτύσσεται από ένα κοινό προγονικό κύτταρο, αλλά προέρχεται από δύο απολύτως ξεχωριστά νευρικά συστήματα τα οποία ενώθηκαν κατά την πορεία της εξέλιξης.
• Το πρόσθιο τμήμα του εγκεφάλου ελέγχει την ανώτερη σκέψη και τη γλώσσα, ενώ το οπίσθιο τμήμα ρυθμίζει τις βασικές λειτουργίες επιβίωσης, με τα δύο να ακολουθούν παράλληλες αλλά εντελώς διαφορετικές αναπτυξιακές διαδρομές.
• Η επιστημονική αυτή διαπίστωση επέτρεψε στην ερευνητική ομάδα να καλλιεργήσει για πρώτη φορά λειτουργικούς κινητικούς νευρώνες του οπίσθιου εγκεφάλου στο εργαστήριο μέσω πολυδύναμων βλαστοκυττάρων.
• Ανοίγει πλέον ο δρόμος για τη βαθύτερη κατανόηση και την ανάπτυξη νέων κυτταρικών θεραπειών ενάντια σε καταστροφικές ασθένειες που πλήττουν το εγκεφαλικό στέλεχος, όπως η νωτιαία μυϊκή ατροφία (SMA) και η αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση (ALS).

Για πολλούς αιώνες η ιατρική κοινότητα και οι νευρολόγοι αντιμετώπιζαν τον ανθρώπινο εγκέφαλο ως ένα ενιαίο και αδιαίρετο όργανο το οποίο προέρχεται από ένα μοναδικό σημείο εκκίνησης κατά τη διάρκεια της εμβρυϊκής ανάπτυξης. Το καθιερωμένο μοντέλο που διδασκόταν στις ιατρικές σχολές σε ολόκληρο τον κόσμο υποστήριζε ότι ένα και μόνο προγονικό κύτταρο στα πρώτα στάδια της κυτταρικής διαίρεσης ευθύνεται για τη δημιουργία ολόκληρου του πολύπλοκου νευρικού μας συστήματος. 

Οι ερευνητές του πανεπιστημίου του Stanford Medicine έρχονται να ανατρέψουν πλήρως τη συγκεκριμένη πεποίθηση μέσα από μια εμπεριστατωμένη μελέτη, αποδεικνύοντας ότι η εντυπωσιακή βιολογική μηχανή που βρίσκεται μέσα στο κρανίο μας αποτελείται στην πραγματικότητα από δύο αρχαία νευρικά συστήματα τα οποία ενώθηκαν επιδέξια κατά την πορεία της εξέλιξης των ειδών.

Ο ενήλικος εγκέφαλος χωρίζεται παραδοσιακά σε τρεις κύριες περιοχές, τον πρόσθιο, τον μέσο και τον οπίσθιο εγκέφαλο, με το πρόσθιο τμήμα να αναλαμβάνει τις διεργασίες της ανώτερης σκέψης όπως η γλώσσα, η συνείδηση και η αφηρημένη λογική. Αντίθετα, ο οπίσθιος εγκέφαλος που συχνά ονομάζεται εγκεφαλικό στέλεχος και βρίσκεται στο πίσω μέρος του κρανίου ελέγχει τις θεμελιώδεις και απολύτως αυτόματες λειτουργίες που μας κρατούν ζωντανούς, όπως είναι η αναπνοή, ο ύπνος, η ρύθμιση του καρδιακού παλμού και οι ορμές της πείνας, ενώ παράλληλα διαχειρίζεται τους μύες του προσώπου και του λαιμού οι οποίοι επηρεάζουν την ομιλία και την κατάποση. Παρά την κρίσιμη σημασία του οπίσθιου εγκεφάλου για την ίδια μας την επιβίωση, οι επιστήμονες δυσκολεύονταν για δεκαετίες να δημιουργήσουν ανθρώπινους νευρώνες του εγκεφαλικού στελέχους στο εργαστήριο, ένα τεράστιο εμπόδιο που καθυστερούσε δραματικά την έρευνα γύρω από ασθένειες οι οποίες στερούν σταδιακά από τους ασθενείς την ικανότητα να καταπίνουν και να αναπνέουν.

Η μεγάλη ανακάλυψη ήρθε όταν η ερευνητική ομάδα υπό την καθοδήγηση του αναπληρωτή καθηγητή αναπτυξιακής βιολογίας Kyle Loh και των ερευνητών Carolyn Dundes και Rayyan Jokhai αποφάσισε να εστιάσει στις πρώτες στιγμές της εμβρυϊκής ανάπτυξης και πιο συγκεκριμένα στο στάδιο της γαστριδίωσης, τότε δηλαδή που το σώμα αρχίζει να παίρνει το βασικό του σχήμα. Εξετάζοντας έμβρυα ποντικιών, παρατήρησαν ότι ο οπίσθιος εγκέφαλος ακολουθεί μια εντελώς ξεχωριστή αναπτυξιακή πορεία η οποία τρέχει παράλληλα με τη διαδικασία που δημιουργεί τον πρόσθιο και τον μέσο εγκέφαλο, χωρίς ωστόσο να διασταυρώνεται ποτέ μαζί της. Εντόπισαν δύο διαφορετικά προγονικά κύτταρα, εκ των οποίων το ένα εκφράζει το γονίδιο Otx2 και προορίζεται να γίνει ο πρόσθιος εγκέφαλος, ενώ το άλλο εκφράζει το γονίδιο Gbx2 και αναλαμβάνει αποκλειστικά τον σχηματισμό του οπίσθιου εγκεφάλου, με τους πληθυσμούς αυτών των κυττάρων να είναι αμοιβαία αποκλειόμενοι από τα πρώτα κιόλας λεπτά της ύπαρξής τους.

Προχωρώντας τη μελέτη τους σε βαθύτερο μοριακό επίπεδο, οι επιστήμονες εξέτασαν τη συσκευασία του DNA, γνωστή ως χρωματίνη, μέσα σε αυτά τα κύτταρα για να διαπιστώσουν ότι το πρόσθιο και το οπίσθιο νευρικό εξώδερμα διαθέτουν θεμελιωδώς διαφορετικές διαμορφώσεις, οι οποίες κλειδώνουν τη μοίρα του κάθε προγονικού κυττάρου με τρόπο οριστικό και αμετάκλητο. Η αποκάλυψη αυτή εξήγησε την απογοήτευση δεκαετιών στον τομέα της κυτταρικής βιολογίας, καθώς οι προηγούμενες προσπάθειες κατασκευής νευρώνων του οπίσθιου εγκεφάλου προσπαθούσαν εσφαλμένα να μετατρέψουν προγόνους του πρόσθιου εγκεφάλου σε κύτταρα που από τη φύση τους ήταν γενετικά ανίκανοι να γίνουν. Έχοντας πλέον χαρτογραφήσει τον σωστό αναπτυξιακό χάρτη, οι ερευνητές κατάφεραν για πρώτη φορά να καθοδηγήσουν ανθρώπινα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα ώστε να εξελιχθούν σε λειτουργικούς κινητικούς νευρώνες του οπίσθιου εγκεφάλου μέσα σε τρυβλία Petri, οι οποίοι μάλιστα παρήγαγαν πρωτεΐνες ικανές να ελέγχουν τους μύες του προσώπου.

Από καθαρά εξελικτική σκοπιά, η ανασκόπηση των βιολογικών δεδομένων σε βάθος 550 εκατομμυρίων ετών έδειξε ότι το ίδιο μοτίβο διπλής προέλευσης του εγκεφάλου εντοπίζεται σε ψάρια, πτηνά και ακόμα πιο πρωτόγονους οργανισμούς που ζουν στον πυθμένα των ωκεανών, αποδεικνύοντας ότι η φύση προτίμησε να ενώσει χωρικά δύο προϋπάρχοντα νευρικά συστήματα αντί να δημιουργήσει ένα ενιαίο όργανο από το μηδέν. Για την ευρύτερη ιατρική κοινότητα και για τους χιλιάδες ασθενείς που παλεύουν με τη νωτιαία μυϊκή ατροφία (SMA) ή τη νόσο του κινητικού νευρώνα (ALS), η ικανότητα καλλιέργειας αυτών των εξειδικευμένων κυττάρων στο εργαστήριο σηματοδοτεί την έναρξη μιας νέας εποχής για την αναγεννητική ιατρική. 

Οι επιστήμονες μπορούν πλέον να μελετήσουν σε πραγματικό χρόνο τον τρόπο με τον οποίο εκφυλίζονται οι νευρώνες, επιταχύνοντας τις δοκιμές νέων φαρμακευτικών ουσιών και επεκτείνοντας την έρευνα ακόμα και στον τομέα της παχυσαρκίας, καθώς ο οπίσθιος εγκέφαλος περιέχει τα κυκλώματα που ρυθμίζουν την πείνα και αλληλεπιδρούν άμεσα με τα σύγχρονα φάρμακα απώλειας βάρους.