Наш мозг растет по семейному принципу: как клетки «помнят» своих предков и строят сложнейший орган человека
Нейробиологи обнаружили простой и элегантный принцип, который помогает объяснить, как из одной клетки формируется мозг. Оказалось, что клетки в развивающемся мозге ведут себя почти как человеческие семьи — держатся рядом со своими «родственниками» и вместе формируют будущую структуру органа.
Исследование ученых из лаборатории Колд-Спринг-Харбор, Гарвардского университета и Швейцарской высшей технической школы Цюриха опубликовано в научном журнале Neuron. Работа предлагает новое объяснение одного из ключевых вопросов нейробиологии: как миллиарды клеток находят свое место в мозге.
Мозг начинается с одной клетки
Каждый человеческий мозг начинается с одной клетки — оплодотворенной яйцеклетки. По мере развития организма она делится снова и снова, постепенно формируя гигантскую сеть примерно из 170 миллиардов клеток.
Эти клетки должны не просто появиться, но и занять строго определенные позиции. От того, где именно окажется каждая клетка, зависит формирование нейронных цепей — сложных структур, которые позволяют нам мыслить, запоминать, ориентироваться в пространстве и принимать решения.
Но долгое время ученые не могли полностью объяснить, как клетки понимают, где им нужно находиться.
Ограниченное «зрение» клетки
Для каждой клетки развивающегося мозга существует два фундаментальных вопроса:
- Где я нахожусь?
- Каким типом клетки мне предстоит стать?
Проблема в том, что клетка может «видеть» лишь своих ближайших соседей. Она ориентируется в окружающей среде благодаря химическим сигналам — молекулам, которые распространяются в тканях и передают информацию.
Однако у такого способа есть ограничения.
Исследователи сравнивают его с шепотом в шумном зале: чем дальше сообщение передается, тем слабее оно становится. В глубине растущего мозга сигнал может уже почти не различаться.
Это породило важный вопрос: как клетки, находящиеся далеко от источника сигнала, понимают свое положение?
«Семейная» организация мозга
Новое исследование предлагает неожиданно простое объяснение.
Клетки мозга ведут себя похожим образом на человеческие семьи.
Если представить расселение людей по стране, можно заметить закономерность:
- дети часто селятся рядом с родителями,
- внуки — недалеко от дедушек и бабушек,
- родственники постепенно образуют целые регионы.
Со временем формируется география родственных связей.
По словам исследователей, в развивающемся мозге происходит нечто подобное. Клетки, произошедшие от одного предка, чаще всего остаются рядом друг с другом. Они формируют небольшие «семейные кластеры», которые затем участвуют в построении крупных структур мозга.
Как проверяли гипотезу
Чтобы убедиться, что эта идея работает, ученые использовали сразу несколько методов.
Математическая модель
Исследователи разработали модель, описывающую распределение клеток в растущей ткани мозга. Она учитывала:
- деление клеток,
- их перемещение,
- наследование генетических состояний.
Эксперименты на мышах
Затем результаты модели сравнили с данными о работе тысяч генов в развивающемся мозге лабораторных мышей.
Анализ показал, что клетки с похожими генетическими профилями действительно часто располагаются рядом — как если бы они были потомками одного «родителя».
Наблюдения за рыбками данио
Дополнительные эксперименты провели на Danio rerio — популярной модельной системе в биологии развития.
Ученые отслеживали активность тысяч генов в двух соседних областях мозга рыбы. Чтобы лучше видеть структуру ткани, эти области были окрашены в красный и синий цвета.
Наблюдения показали интересную картину:
- на ранних стадиях клетки образуют локальные группы;
- по мере роста мозга эти группы распадаются на более мелкие подразделения;
- новые группы наследуют генетическое состояние своих «предков».
Иными словами, клеточные «семьи» продолжают существовать даже после множества делений.
Химия плюс наследственность
Результаты исследования показывают, что развитие мозга определяется двумя механизмами одновременно:
Химические сигналы, которые помогают клеткам ориентироваться в ткани.
«Родословная» клеток — их происхождение от общего предка.
Именно сочетание этих факторов позволяет клеткам находить свое место в сложной структуре растущего мозга.
Почему это открытие важно
На первый взгляд принцип может показаться простым. Но он может иметь далеко идущие последствия для науки.
Понимание развития мозга
Модель помогает объяснить, как формируется пространственная организация нервной ткани — один из ключевых вопросов нейробиологии.
Исследование заболеваний
Если клетки оказываются не на своем месте, это может приводить к нарушениям развития мозга. Новая теория может помочь лучше понять механизмы таких состояний.
Изучение опухолей
По мнению ученых, похожий принцип может действовать и в других тканях организма — в том числе в опухолях, где клетки тоже происходят от одного предка и образуют сложные структуры.
Вдохновение для технологий
Идея «семейного» роста может быть полезна и в инженерии — например, при создании сложных систем из множества взаимодействующих элементов, включая искусственные нейронные сети.
Простота, скрытая в сложности
Мозг — один из самых сложных объектов во Вселенной. Тем удивительнее, что его организация может подчиняться довольно простому правилу: клетки сохраняют близость со своими «родственниками».
Это открытие показывает, что даже самые сложные биологические системы могут строиться на основе элементарных принципов, которые ученые только начинают понимать.
И, возможно, именно такие закономерности однажды помогут объяснить, как из одной клетки возникает человеческое сознание.
Ранее журналисты сайта «Пронедра» писали, что происходит с мозгом, когда мы не высыпаемся: новое исследование объясняет неожиданный эффект
