Två uppsättningar startceller
I decennier har biologiböcker beskrivit hjärnan som växande från en enda tidig progenitorcell som ger upphov till varje del av organet. En studie ledd av Stanford Medicine, publicerad i Nature Neuroscience den 18 september, säger att bilden är fel.
Genom att studera embryon under gastrulationen, det skede då ett enkelt cellkluster organiseras till kroppsstrukturer, identifierade teamet två distinkta grupper av neurala progenitorceller. Framhjärnan och mellanhjärnan uppstår från en population. Bakhjärnan, som styr andning, hjärtfrekvens och sväljning, utvecklas från en andra population med ett separat ursprung.
"Vi har för första gången visat att främre delen av hjärnan uppstår från en helt annan progenitorcell än den bakre delen av hjärnan", sade Kyle Loh, docent i utvecklingsbiologi vid Stanford och en av studiens huvudförfattare.
Ett pussel i skålen
Upptäckten växte fram ur ett laboratorieproblem. Stamceller från främre delen av hjärnan var lätta att odla i en skål, medan celler som var tänkta att bli bakhjärnsvävnad nästan aldrig tog sig. Det nya arbetet förklarar varför: tidigare experiment försökte locka framhjärns- och mellanhjärnsprogenitorer att bli bakhjärnsceller, vilket studien visar inte är möjligt. Genom att utgå från rätt progenitorpopulation odlade forskarna neuron som avfyrade aktionspotentialer och producerade proteiner som markerar de bakhjärnssegment som styr ansikts- och sväljmuskler.
550 miljoner år av kopplingar
Teamet blickade sedan tillbaka genom evolutionär tid. De fann samma tvåursprungsmönster hos kycklingar, zebrafiskar och ekorrormar, små varelser på havsbotten som delar en avlägsen förfader med människan. Maneter, som skildes från människans linje för omkring 600 till 700 miljoner år sedan, behåller två nervsystem vid olika ändar av sina kroppar.
Författarna hävdar att evolutionen inte uppfann en hjärna från scratch. Den tog två nervsystem som redan fanns och pressade samman dem rumsligt. "Att ha hjärnan som ett organ skulle förmodligen vara effektivare, men vi förlitar oss på detta uråldriga sätt att göra hjärnan som två separata delar", sade Loh. Eftersom de två halvorna byggs enligt olika regler skulle upptäckten kunna förändra hur forskare modellerar tillstånd som bakhjärnsstörningar i laboratoriet.