Twee sets startcellen
Tientallen jaren hebben biologieboeken het brein beschreven als groeiend uit een enkele vroege voorlopercel die aanleiding geeft tot elk deel van het orgaan. Een door Stanford Medicine geleid onderzoek, gepubliceerd in Nature Neuroscience op 18 september, zegt dat dat beeld onjuist is.
Bij het observeren van embryo's tijdens de gastrulatie, de fase waarin een eenvoudige cluster cellen zich organiseert tot lichaamsstructuren, identificeerde het team twee afzonderlijke groepen neurale voorlopercellen. Het voorbrein en het middenbrein ontstaan uit één populatie. Het achterbrein, dat ademhaling, hartslag en slikken regelt, ontwikkelt zich uit een tweede populatie met een aparte oorsprong.
"We hebben voor het eerst aangetoond dat de voorkant van het brein ontstaat uit een totaal andere voorlopercel dan de achterkant van het brein," zei Kyle Loh, universitair hoofddocent ontwikkelingsbiologie aan Stanford en een senior auteur van het werk.
Een puzzel in het schaaltje
De ontdekking groeide uit een laboratoriumprobleem. Stamcellen van de voorkant van het brein waren gemakkelijk te kweken in een schaaltje, terwijl cellen die achterbreinweefsel moesten worden bijna nooit aansloegen. Het nieuwe werk verklaart waarom: eerdere experimenten probeerden voorbrein- en middenbrein-voorlopers te verleiden om achterbreincellen te worden, wat volgens het onderzoek niet mogelijk is. Beginnend vanuit de juiste voorlopercelpopulatie kweekten de onderzoekers neuronen die actiepotentialen afvuurden en eiwitten produceerden die de achterbreinsegmenten markeren die gezichts- en slikspieren aansturen.
550 miljoen jaar bedrading
Het team keek vervolgens terug door de evolutionaire tijd. Ze vonden hetzelfde patroon met twee oorsprongen bij kippen, zebravissen en eikelwormen, kleine wezens op de oceaanbodem die een verre voorouder met mensen delen. Kwallen, die zich ongeveer 600 tot 700 miljoen jaar geleden van de menselijke lijn afsplitsten, houden twee zenuwstelsels aan verschillende uiteinden van hun lichaam.
De auteurs stellen dat evolutie het brein niet vanaf nul heeft uitgevonden. Het nam twee zenuwstelsels die al bestonden en duwde ze ruimtelijk tegen elkaar. "Het brein als één orgaan hebben zou waarschijnlijk efficiënter zijn, maar we vertrouwen op deze oorspronkelijke manier om het brein als twee afzonderlijke stukken te maken," zei Loh. Omdat de twee helften volgens verschillende regels zijn gebouwd, zou de bevinding kunnen veranderen hoe onderzoekers aandoeningen zoals achterbrein-stoornissen in het lab modelleren.