Hjernen fremstår som ett samlet organ, men kan ha utviklet seg fra to forskjellige grupper av celler. Det er konklusjonen i en ny studie fra forskere ved Stanford University, publisert i september i tidsskriftet Nature Neuroscience.

«Hjernen fremstår som ett organ. Vi oppdaget imidlertid at den fremre delen av hjernen og den bakre delen av hjernen kommer fra ulike kilder, som presses sammen og skaper inntrykket av ett organ», sa studiens medforfatter Kyle Loh, førsteamanuensis i utviklingsbiologi ved Stanford University, til Live Science i en e-post.

Funnene utfordrer etablerte modeller for hvordan hjernen dannes. De kan også forklare hvorfor forskere lenge har hatt problemer med å dyrke bestemte typer nerveceller i laboratoriet, og gi nye muligheter for å studere sykdommer som rammer hjernestammen – den «stammen» som forbinder hjernen med ryggmargen.

Tre hovedområder

Den menneskelige hjernen deles vanligvis inn i tre hovedområder: forhjernen, mellomhjernen og bakhjernen. Områdene har ulike, men sammenkoblede funksjoner.

Forhjernen omfatter blant annet hjernehalvdelene og er involvert i avanserte kognitive prosesser som språk, planlegging og abstrakt tenkning. Mellomhjernen er den øverste delen av hjernestammen. Den forbinder forhjernen og bakhjernen og fungerer som et viktig knutepunkt for sanseinformasjon og kontroll av bevegelser.

Bakhjernen omfatter den nederste delen av hjernestammen og andre strukturer. Den bidrar til å samordne bevegelser og regulerer livsviktige funksjoner som pust, søvn og hjerterytme.

Det har vært vanskelig å studere bakhjernen. En viktig årsak er at forskere har hatt vedvarende problemer med å lage fungerende bakhjerne-nerveceller under laboratorieforhold.

Fant to cellepopulasjoner

For å undersøke hvorfor dette skjer, studerte Loh og kollegene de tidlige stadiene i utviklingen av museembryoer. De undersøkte gastrulasjonen, fasen der cellene begynner å organisere seg i strukturer som senere skal utvikle seg til ulike organer.

Forskerne identifiserte to tydelige populasjoner av umodne celler som senere skulle danne vev i nervesystemet, blant annet hjernen.

Den ene cellepopulasjonen uttrykte genet Otx2, som bidrar til å styre den tidlige utviklingen av forhjernen og mellomhjernen. Den andre gruppen uttrykte genet Gbx2, som er involvert i utviklingen av mellomhjernen og bakhjernen.

I museembryoet uttrykte forhjernen og deler av mellomhjernen Otx2, mens bakhjernen og resten av mellomhjernen uttrykte Gbx2. Den røde cellepopulasjonen strakte seg også inn i ryggmargen.

Genenes funksjoner var allerede kjent, men den nye studien avdekket at de uttrykkes tydelig i de to separate cellegruppene. Cellepopulasjonene forble adskilt mens de utviklet seg til ferdig nervevev, i stedet for å overlappe.

Forskerne undersøkte også kromatin, den molekylære strukturen som pakker DNA tett sammen inne i cellekjernen og bidrar til å regulere hvilke gener cellen kan bruke. De to cellepopulasjonene hadde ulike kromatinkonfigurasjoner, noe som støtter ideen om at de følger separate utviklingsbaner.

Lyktes med å dyrke nerveceller

Resultatene kan forklare hvorfor tidligere forsøk på å dyrke bakhjerne-nerveceller i stor grad har mislyktes.

«Tidligere forsøk på å lage bakhjerne-nerveceller forsøkte sannsynligvis å få forhjernens og mellomhjernens forløperceller til å bli bakhjerneceller. Studien vår viser at dette ikke er mulig», sa studiens medforfatter Rayyan Jokhai, doktorgradsstudent i Lohs laboratorium, i en uttalelse.

Med utgangspunkt i kunnskapen fra forsøkene klarte forskerne å styre menneskelige stamceller slik at de utviklet seg til fungerende motoriske nerveceller fra bakhjernen. Disse nervecellene er involvert i kontrollen av bevegelser.

Cellene produserte proteiner som kjennetegner områder i bakhjernen som bidrar til å kontrollere ansiktsmusklene og musklene som brukes ved svelging.

Ved flere nevrologiske sykdommer, blant annet spinal muskelatrofi og amyotrofisk lateral sklerose, blir motoriske nerveceller ødelagt. Pasienter kan da miste evnen til å svelge, snakke og puste uten hjelp.

«Vi kan ikke ta prøver av levende motoriske nerveceller fra en pasients bakhjerne for å følge med på hvordan disse sykdommene angriper nervecellene», sa Loh. «Å dyrke disse motoriske nervecellene fra bakhjernen i en skål gir oss en måte å undersøke sykdommene på.»

Forskergruppen vil bruke funnene til å studere sykdommene og lete etter nye behandlinger.

En svært gammel utviklingsplan

Forskerne undersøkte også om de to utviklingsbanene er unike for mennesker, eller om de gjenspeiler en langt eldre ordning i evolusjonen. De gikk gjennom tidligere publiserte data fra flere andre arter, blant annet makaker, sebrafisk og høns.

Også hos disse artene fant de to separate cellepopulasjoner som uttrykte de to nøkkelgenene. Det samme gjaldt hos eikenøttormer, marine virvelløse dyr som utviklingsmessig skilte lag med virveldyrene for rundt 550 millioner år siden.

«Stanford-funnet viser at virveldyrenes dype evolusjonære opphav er grunnleggende modulært», sa Anna Di Cosmo, professor i biologi ved Universitetet i Napoli Federico II i Italia. Hun var ikke involvert i studien.

«Det utviklingsmessige skillet mellom den fremre linjen, som omfatter forhjernen og mellomhjernen, og den bakre linjen, som omfatter bakhjernen, kan spores svært langt tilbake», sa Cosmo til Live Science i en e-post.

Lohs team spekulerer på om utviklingsbanene som oppstår i livmoren, kan tyde på at de to cellepopulasjonene en gang tilhørte to separate nervesystemer. «Senere i evolusjonen kan disse to nervesystemene ha blitt presset sammen og gitt opphav til inntrykket av én integrert hjerne», sa Loh.

Forskerne understreker samtidig at studien ikke viser nøyaktig når de to utviklingsbanene oppsto, eller hvordan de ble integrert.

«Det er viktig å understreke at dette bare er en idé, og at den kan endre seg etter hvert som forskerne lærer mer», sa Loh.