Новое исследование пересматривает развитие и эволюционное происхождение мозга позвоночных

Исследование, недавно опубликованное в PLOS Biology, предоставляет данные, существенно меняющие преобладающее представление о процессе формирования мозга у позвоночных и проливает свет на его возможную эволюцию.

Результаты показывают, что существовавшая до сих пор интерпретация основных регионов, формирующихся в начале развития мозга позвоночных, неверна. Исследование проводилось совместно под руководством Хосе Луиса Феррана и Луиса Пуэльеса из Департамента анатомии человека и психобиологии UMU; Мануэля Иримии из Центра геномной регуляции (CRG) и Джорди Гарсии Фернандеса из Департамента генетики Университета Барселоны.

Для исследования использовался мозг беспозвоночного организма — ланцетника (амфиоксуса, морского хордового, похожего на рыбу), чье место в эволюционном древе очень близко к происхождению позвоночных.

На основе полученных данных исследователи создали первую подробную карту регионов, на которые делится мозг этого вида, обитающего на морском дне и ведущего очень простой образ жизни.

В исследовании использовалась геноархитектура как основной экспериментальный подход для определения региональности нервной трубки амфиоксуса и сравнения ее с таковой у позвоночных. В рамках этого подхода была создана молекулярная карта паттернов экспрессии генов у амфиоксуса, гомологи которых, как известно, участвуют в установлении и регионализации мозга позвоночных.

Новая модель, опровергающая многие существующие идеи

Эта работа показывает, что мозг позвоночных, вероятно, изначально формировался из двух регионов (переднего и заднего), а не из трех (передний, средний и задний мозг), как предполагает текущая промерная модель.

У амфиоксуса не обнаружено ни коры головного мозга, ни эксклюзивной области, дающей начало формированию среднего мозга позвоночных. Однако была найдена общая территория внутри переднего мозга, которую назвали DiMes (Di-Mesencephalic primordium), из которой происходили бы как средний мозг, так и другие важные структуры классического переднего мозга. Территория DiMes дала три важных региона мозга позвоночных, которые используются для обработки сенсорной информации.

Три классические церебральные области позвоночных (таламус, претектум и средний мозг) возникли в эволюции, вероятно, под действием молекулярных сигнальных центров, которые привели к расширению и разделению DiMes-подобной части. Это объясняет, что если функцию этих сигнальных центров, называемых вторичными организаторами, устранить у позвоночных, остается единая территория, подобная наблюдаемой у амфиоксуса.

Идея о том, что эти регионы формировались независимо и каждый из них дал начало другим регионам, оказалась ошибочной.

Таким образом, оба мозга, амфиоксуса и позвоночного, делятся на два основных региона: передний и задний. У амфиоксуса передний регион делится на два домена, тогда как у позвоночных он разделен на гораздо больше частей, включая три упомянутых выше региона, которые вместе соответствовали бы одной из частей амфиоксуса.

Знание истинной истории формирования мозга и состава его структур может иметь большое долгосрочное значение, поскольку может помочь объяснить, почему нарушаются как состав, так и функция региона, и привести к лучшему пониманию заболеваний мозга.

Структура мозга — результат эволюционного процесса

Изучение генетических сетей, которые дали идентичность различным регионам мозга, играет ключевую роль в понимании того, как они эволюционировали. Геноархитектура — мощный инструмент для описания регионов нервной системы, клеток и их структур, позволяющий определить, какие гены активны в каждой территории во время развития, охарактеризовать границы между ними и с высокой точностью определить, сколько различных компонентов происходит из каждого региона. Это помогает детально распознать, как человеческий мозг похож на мозг другого позвоночного.