Ученые из Медицинского колледжа Техасского университета A&M сделали революционное открытие о развитии мозга. Эта новая информация способствует нашему пониманию того, как развивается часть мозга, которая делает людей более интеллектуальными, чем другие млекопитающие, и дает представление о том, что вызывает умственную отсталость, включая расстройства аутистического спектра .
В течение многих лет эксперты знали, что тонкий слой клеток в неокортексе — части мозга, которая контролирует функции высшего порядка, такие как познание, восприятие и язык, — напрямую связан с интеллектом у млекопитающих. Чем больше площадь поверхности неокортекса, тем более развиты умственные способности этого организма. Например, толщина неокортекса человека примерно в три раза больше, чем у мышей. Тем не менее, площадь поверхности неокортекса человека в 1000 раз больше, чем у мышей. Пороки развития в этой части мозга прогрессируют до нарушений развития, которые включают расстройства аутистического спектра и умственную отсталость.
Что не понятно, так это то, как эволюционное расширение этой части мозга происходит преимущественно в пользу увеличения площади поверхности неокортекса за счет увеличения его толщины. То, как самые ранние популяции нейральных стволовых клеток — строительных блоков мозга — распределяются, является ключевым фактором в этом процессе.
«В неокортексе горизонтально расположено множество, как мы их назовем, отдельных процессорных блоков. Чем больше у вас площадь поверхности, тем больше таких процессоров вы можете разместить», — сказал Витас А. Банкайтис, заслуженный профессор Медицинского колледжа, заведующий кафедрой химии Фонда Э.Л. Венера-Уэлча и соавтор этого исследования, которое был опубликован в Cell Reports. «Вопрос в том, почему площадь поверхности неокортекса намного больше по сравнению с его толщиной, когда человек поднимается вверх по эволюционному дереву млекопитающих? Почему нейральные стволовые клетки распространяются в латеральном направлении, когда они пролиферируют, а не наслаиваются друг на друга?»
Этот вопрос является ключевым, потому что, когда клетки не распространяются, а накапливаются, создается более толстый неокортекс с меньшей площадью поверхности — характеристика, наблюдаемая в случаях умственной отсталости и даже аутизма.
«Одной из наиболее изученных генетических причин умственной отсталости является мутация в гене, который изначально назывался LIS1», — сказал Чжиган Се, доцент Медицинского колледжа и соавтор исследования. «Эта генетическая мутация вызовет гладкий мозг, что связано с умственной отсталостью. И одно типичное наблюдение состоит в том, что неокортекс пациента толще, чем обычно. Есть также очень недавние исследования, которые выявляют общие различия в мозге аутистов, включая аномально утолщенные области неокортекса у этих людей».
Ученым уже давно известно, что по мере деления нервных стволовых клеток их ядра перемещаются вверх и вниз в пределах их анатомического пространства в зависимости от клеточного цикла. Этот процесс называется интеркинетической ядерной миграцией. Они делают это, используя сеть цитоскелета, которая действует как железнодорожные пути с двигателями, которые перемещают ядра вверх или вниз строго регулируемым образом. Хотя было предложено несколько идей, остается загадкой, почему ядра движутся таким образом, как контролируется эта сеть железнодорожных путей и какую роль интеркинетическая миграция ядер играет в развитии неокортекса.
В своем исследовании Се и Банкайтис дают ответы на эти вопросы.
Что касается этого, Банкайтис объясняет, что, когда на эмбриональной стадии развития неокортекса так много клеток находится так близко друг к другу, движение их ядер вверх и вниз вызывает противодействующие восходящие и нисходящие силы, которые распространяют делящиеся нейральные стволовые клетки наружу.
«Подумайте о тюбике зубной пасты, — сказал Банкайтис. «Если бы вы взяли этот тюбик зубной пасты, поместили его между руками, толкнули снизу вверх и опустили сверху, что произойдет? Он бы сгладился и расплылся. Вот как это работает. У вас есть восходящая сила и нисходящая сила, вызванная движением ядер, которое распространяет эти клетки наружу».
Се и Банкайтис также демонстрируют, как клетки делают это, связывая вместе несколько различных путей, которые взаимодействуют, чтобы «сказать» новорожденным нейральным стволовым клеткам, куда им идти.
«Я думаю, что впервые это действительно объединяет молекулы и сигнальные пути, которые показывают, как этот процесс контролируется и почему он может быть связан или связан с недостатками развития нервной системы», — сказал Банкайтис. «Мы взяли биохимический путь, соединили его с клеточным биологическим путем и связали его с сигнальным путем, который взаимодействует с ядром, чтобы стимулировать ядерное поведение, которое генерирует силу, которая развивает сложный мозг. Теперь это полная цепь».
Результаты этого исследования раскрывают важный фактор в основных причинах риска аутизма, умственной отсталости и врожденных дефектов нервной трубки. Новые знания об основных принципах, регулирующих форму неокортекса, также помогут разработать системы культивирования мозга in vitro, которые более точно отражают интересующие процессы развития и улучшат перспективы разработки неврологических лекарств.
«Хотя может оказаться, что существует множество причин, по которым неокортекс утолщается, а не расширяется, наша работа дает новый взгляд на то, почему у пациентов с аутизмом и умственными нарушениями часто наблюдается более толстая кора», — сказал Се. «Тот факт, что продукт гена LIS1 является основным регулятором миграции ядер, включая межкинетическую миграцию ядер, которую мы изучаем в этой работе, подтверждает выводы, к которым мы пришли в этой статье».
