Вопреки последним новостям, у вас не два мозга

Неудачный пресс‑релиз дал хороший повод разобраться в том, как работает биология развития

В конце прошлой недели нам стали попадаться заголовки ^[3]о том, что новое исследование якобы показывает: у нас может быть два мозга вместо одного, который вроде бы виден на МРТ. Как это часто бывает, слухи можно проследить до единственного пресс‑релиза, выпущенного одним из университетов, где проводилась эта работа. У вас не два мозга. Это просто странный способ интерпретировать результаты новой статьи.

Но есть куда более содержательные способы взглянуть на эти результаты. Они помогают понять, как формируется мозг, и заодно иллюстрируют некоторые общие принципы биологии развития. Поэтому давайте разберёмся, что именно показало исследование, и поместим его результаты в контекст развития мозга.

Где вы?

Возможно, вам кажется, что сегменты тела бывают у всяких ракообразных и насекомых. Однако наша нервная система ^[4] тоже развивается по сегментированному принципу. У позвоночных есть четыре основных отдела: передний мозг, средний мозг ^[5], задний мозг и спинной мозг ^[6]. Некоторые из них впоследствии дополнительно разделяются на сегменты, но это мы сейчас опустим. Новая работа в основном отвечает на очевидный вопрос: откуда вообще берутся эти отделы?

Подобные вопросы составляют хлеб насущный биологии развития, области, изучающей, как организм начинает существование в виде единственной клетки, а затем благодаря серии тщательно рассчитанных по времени и скоординированных процессов создаёт все ткани взрослого организма.

Чтобы разобраться в этом вопросе, нам понадобится немного контекста. К тому времени, когда появляются первые клетки, которым предстоит превратиться в нейроны ^[7], эмбрион позвоночного уже знает, где у него голова, а где хвост, где спина, а где живот. Мы не будем углубляться в то, как именно эмбрион это узнаёт, хотя об этом нам тоже известно довольно много. В этот момент эмбрион состоит из трёх тканей: энтодермы, которая впоследствии выстелет кишечник; мезодермы, из которой образуются мышцы и кости; и эктодермы, которая в дальнейшем сформирует кожу.

Нервная ткань возникает как утолщение эктодермы, проходящее по центру эмбриона от головы к хвосту. Центральная часть этого слоя плотно расположенных клеток опускается вниз, а края загибаются вверх, постепенно образуя овальную трубку, которая отделяется от остальной эктодермы. Все сигналы, проходящие по вашему позвоночнику, каждый звук и образ, которые вы воспринимаете, каждая мысль, которая когда‑либо придёт вам в голову, всё это и многое другое зависит от потомков этих клеток.

Хотя всё это описывается как своего рода общий сценарий развития позвоночных, между разными видами существуют важные различия. У мышей нервная ткань формируется почти одновременно по всей оси от головы до хвоста. У кур этот процесс начинается в голове и медленно продвигается к хвосту, поэтому структуры мозга уже начинают формироваться в тот момент, когда часть клеток будущего спинного мозга ^[8] ещё даже не «знает», что ей предстоит стать нервной тканью. А у головастиков сначала формируется довольно простой спинной мозг ^[9], который затем расширяется и перестраивается по мере превращения головастика в лягушку. Таким образом, общий процесс у всех позвоночных схож, но разные виды приспособили его к различным вариантам развития.

Судя по внешнему виду, все эти недавно сформировавшиеся нервные клетки более или менее одинаковы. И мы снова возвращаемся к исходному вопросу: как возникают различные отделы нервной системы?

Вспомним, что к моменту появления этих клеток эмбрион уже различает голову и хвост. Отсюда следуют две очень простые возможности. Первая заключается в том, что клетки эктодермы, из которых возникают нервные клетки, уже знают, где находятся, и нервные клетки наследуют от них эту информацию о положении. Вторая возможность состоит в том, что после образования нервных клеток соседние, не нервные клетки, посылают им сигналы, сообщающие их местоположение. Если клетки в области головы производят один набор сигнальных молекул, а клетки в области хвоста другой, эта информация может передаваться развивающейся нервной системе, указывая ей, где формировать головной мозг, а где спинной.

Разделяя мозг

Новая работа опирается на десятилетия исследований, в ходе которых были обнаружены многие ключевые регуляторы раннего развития. Одним из таких прежних открытий стало то, что в эктодерме раннего эмбриона активируются два гена: один в передней половине эмбриона, другой в задней. Таким образом, нервные клетки могут наследовать от эктодермы, из которой они образуются, по крайней мере некоторую грубую информацию о своём положении.

Ключевой приём новой работы заключался в том, что исследователи модифицировали копии этих генов таким образом, чтобы при их работе активировались флуоресцентные белки. Они создали генетически модифицированных мышей, у которых половина ранней эктодермы светилась красным, а другая половина голубым. Эти цвета сохранялись по мере того, как эмбрион формировал нервные клетки, а те начинали развиваться в структуры мозга.

Исследователи обнаружили, что задний мозг светился красным, тогда как остальная часть мозга была голубой. Таким образом, унаследованная информация о положении задаёт одну из ключевых границ внутри мозга. Иными словами, как только клетки «узнают», что им предстоит стать нейронами, они уже знают, могут ли они в будущем войти в состав заднего мозга, а не среднего или переднего. Именно отсюда, грубо говоря, и взялась идея о «двух мозгах» из пресс‑релиза.

Другие эксперименты развили этот результат. С помощью похожих генетических инструментов исследователи активировали флуоресцентный белок в отдельных клетках ранней эктодермы. Оказалось, что в 96% случаев потомки одной такой клетки находились либо исключительно в заднем мозге, либо исключительно в среднем и переднем мозге.

Учёные также работали со стволовыми клетками человека и обнаружили сходную картину: воздействие определённых сигналов сообщало стволовым клеткам, где они «находятся», а возникающие из них нервные клетки наследовали эту информацию. Если вы хотите получить нейроны ^[10], характерные только для заднего мозга, сначала нужно направить стволовые клетки по пути развития заднего мозга.

Очевидно, здесь всё же может сохраняться некоторая пластичность: наблюдавшиеся исследователями 96% всё‑таки не равны 100%. Неясно, связано ли это с ограничениями экспериментальной системы или с тем, что клетки на границе между передней и задней частями эктодермы способны изменить свою судьбу, если немного сместятся в нужную сторону. На ранних этапах развития всё происходит очень быстро, и также неясно, насколько время наблюдаемых нами процессов совпадает со временем работы генов, использованных для мечения различных клеток.

Ещё меньше определённости в отношении других важных границ. Различия между средним и передним мозгом, по‑видимому, возникают позднее и в значительной степени благодаря действию сигнальных молекул, которые распространяются по развивающемуся мозгу и сообщают клеткам информацию об их положении.

В то же время о том, как именно задний и спинной мозг приобретают разные пути развития, известно очень мало. В новой статье на эту тему приводится всего одна ссылка. Указанное исследование предполагает, что их судьбы также разделяются на очень ранней стадии развития, но здесь, похоже, предстоит провести ещё немало исследований.

Почему всё это имеет значение?

Очевидно, разные области нашего головного и спинного мозга впоследствии формируют совершенно разные структуры, выполняющие совершенно разные функции. Поэтому образование этих отделов имеет большое значение. Но важно чтобы и клетки достаточно рано определяли свою принадлежность. Более того, именно это необходимо для того, чтобы впоследствии они могли развиваться настолько по‑разному.

Для этого есть две основные причины. Первая состоит в том, что различная идентичность позволяет клеткам по‑разному реагировать ^[11] на один и тот же сигнал. Например, на ранней стадии, когда нервная система представляет собой сравнительно простую трубку, практически вся она подвергается воздействию одних и тех же двух типов сигналов: молекула под названием Sonic hedgehog распространяется от нижней части трубки, а группа молекул BMP поступает сверху.

Можно было бы ожидать, что, поскольку все клетки этой трубки являются предшественниками нервных клеток, на одинаковые сигналы они будут реагировать одинаково. Но это не так. Их принадлежность к определённому сегменту заставляет эти сигналы запускать частично перекрывающиеся, но всё же различные реакции в разных областях мозга. Иными словами, когда клетки среднего мозга ^[12] сталкиваются с BMP, они реагируют иначе, чем клетки спинного мозга.

Благодаря раннему разделению нервной системы клетки наследуют определённую историю развития, которая позволяет ограниченному набору сигналов создавать огромное разнообразие.

То, как история развития меняет интерпретацию сигналов, позволяет также использовать одни и те же сигналы повторно. Сначала BMP сообщают клеткам, следует ли им становиться нейронами. Позднее они сообщают развивающимся нейронам, какую специализацию им приобрести после созревания. Ещё позднее BMP помогают направлять миграцию зрелых нейронов в развивающемся спинном мозге. Нам не приходится в ходе эволюции каждый раз создавать совершенно новую сигнальную систему для выполнения новой задачи.

Вторая причина состоит в том, что граница между сегментами сама может представлять собой особую среду, где клетки подвергаются влиянию обеих соседних областей. Например, на границе среднего и заднего мозга клетки активируют особый набор генов, в том числе гены сигнальных молекул, которые затем влияют на развитие соседних тканей по обе стороны границы.

Как и следовало ожидать из сказанного выше, сигналы, возникающие на границе, вызывают разные реакции в среднем и заднем мозге, поскольку эти два отдела имеют разную историю развития.

Новая работа ничего не говорит о том, сколько мозгов у вас на самом деле. Он у вас один, просто состоит из нескольких отчётливо различающихся областей. Зато исследование добавляет ещё одну деталь к картине того, каким образом невероятная сложность нашего мозга возникает из плоского слоя клеток, которые всего несколькими часами ранее с готовностью превратились бы в нашу кожу.

А заодно эта работа прекрасно показывает, как в целом устроено развитие организма и какие эксперименты позволяют нам помочь нашим, сколько бы их там ни было, мозгам разобраться в этих процессах.