Współczesny mózg może być pozostałością po połączeniu dwóch układów nerwowych, których początki sięgają blisko 600 milionów lat. Wskazówki na poparcie tej hipotezy naukowcy znaleźli, analizując rozwój zarodków i porównując różne grupy zwierząt

Przez dziesięciolecia model rozwoju mózgu zakładał istnienie jednej populacji komórek prekursorowych, z której powstawał ten organ i na kolejnych etapach wyodrębniały się poszczególne jego części. Z badania zespołu ze Stanford Medicine wynika, że przodomózgowie i śródmózgowie powstają z jednej populacji komórek, a tyłomózgowie – z drugiej. Zdaniem autorów może to być pozostałość po dwóch dawnych układach nerwowych, które ewolucja z czasem umieściła obok siebie.

Różnica między mózgu jest dobrze widoczna również w ich działaniu. Przodomózgowie obejmuje struktury związane między innymi z językiem, świadomością i abstrakcyjnym myśleniem. Tyłomózgowie kontroluje natomiast podstawowe czynności potrzebne do życia, takie jak oddychanie, sen, praca serca i odczuwanie głodu. Jego neurony sterują także mięśniami twarzy, języka i gardła, a więc uczestniczą w mówieniu i połykaniu.

Podział zaczyna się w zarodku

Badacze przyjrzeli się gastrulacji, jednemu z najwcześniejszych etapów rozwoju zarodka, kiedy zaczyna powstawać podstawowy plan budowy organizmu. To właśnie wtedy znaleźli dwie odrębne drogi prowadzące do późniejszych części mózgu.

W zarodkach myszy jedna grupa komórek prekursorowych wykazywała aktywność genu Otx2. Z niej rozwijały się później przodomózgowie i śródmózgowie. W drugiej aktywny był gen Gbx2, a jej komórki dawały początek tyłomózgowiu. Obie populacje nie nakładały się na siebie i od początku pozostawały rozdzielone.

Następnie badacze sprawdzili, jak w obu grupach komórek uporządkowane jest DNA. Nie wszystkie geny są w komórce jednakowo łatwo dostępne: część może być aktywna, a część pozostaje wyciszona. Okazało się, że komórki, z których powstają przednia i tylna część mózgu, różnią się pod tym względem już bardzo wcześnie. To kolejny dowód na to, że od początku rozwijają się według dwóch różnych programów.

Odkrycie to wyjaśniło problem, który od lat dawał się neurobiologom we znaki. Naukowcy potrafili hodować wiele rodzajów neuronów z ludzkich komórek macierzystych, ale uzyskanie neuronów tyłomózgowia było wyjątkowo trudne. „Wcześniejsze próby wytwarzania neuronów tyłomózgowia prawdopodobnie polegały na skłanianiu prekursorów przodomózgowia i śródmózgowia do przekształcenia się w komórki tyłomózgowia, a nasze badanie pokazuje, że nie jest to możliwe” – powiedział Rayyan Jokhai, współautor pracy, w materiale Stanford Medicine.

Zespół zrobił więc coś odwrotnego. Zamiast zaczynać od komórek znajdujących się już na „niewłaściwej” drodze rozwoju, odtworzył wcześniejszy etap i skierował ludzkie pluripotencjalne komórki macierzyste w stronę właściwej populacji prekursorowej. Tym razem się udało. Badacze po raz pierwszy otrzymali w laboratorium funkcjonalne ludzkie neurony ruchowe tyłomózgowia. Komórki generowały potencjały czynnościowe, czyli impulsy elektryczne charakterystyczne dla działających neuronów, i produkowały białka typowe dla obszarów kontrolujących mięśnie twarzy oraz połykanie. „Pokazaliśmy po raz pierwszy, że przednia część mózgu powstaje z zupełnie innej komórki prekursorowej niż jego tylna część” – mówi prof. Kyle Loh ze Stanford Medicine. Dodaje, że odkrycie pozwala teraz hodować neurony tylnej części mózgu w laboratorium i badać ich funkcje.

Nowe komórki do badań nad ALS i SMA

To ważne między innymi dlatego, że neurony tyłomózgowia ulegają uszkodzeniu w niektórych ciężkich chorobach neurologicznych. Dotyczy to rdzeniowego zaniku mięśni (SMA) oraz stwardnienia zanikowego bocznego (ALS). W obu chorobach część tych neuronów stopniowo przestaje działać. Pacjenci mogą tracić zdolność połykania, co zwiększa ryzyko przedostania się pokarmu lub płynów do płuc. Z czasem choroba może prowadzić także do utraty zdolności samodzielnego oddychania.

Badanie tych komórek u ludzi jest szczególnie trudne, ponieważ od żyjącego pacjenta nie można pobrać tkanki pnia mózgu do eksperymentów. Jeżeli odpowiednie neurony da się uzyskać z komórek macierzystych, naukowcy będą mogli obserwować w laboratorium, co dzieje się z nimi podczas choroby, i sprawdzać, jak reagują na potencjalne terapie.

Podział sprzed 500 mln lat

Dlaczego jednak mózg w ogóle rozwija się w tak nietypowy sposób? Zespół poszukał odpowiedzi, porównując układy nerwowe bardzo odległych od siebie grup zwierząt. Podobny schemat naukowcy znaleźli u kur, danio pręgowanego i jelitodysznych, czyli morskich zwierząt należących do typu półstrunowców. To ważne, ponieważ linie prowadzące do półstrunowców i strunowców, do których należą kręgowce, rozdzieliły się około 570 mln lat temu. Jeśli ten sam sposób organizacji układu nerwowego występuje po obu stronach tak starego podziału, jego początki muszą sięgać co najmniej ich ostatniego wspólnego przodka.

Jeszcze starszej wskazówki dostarczają parzydełkowce, do których należą meduzy. Ich linia ewolucyjna oddzieliła się od naszej około 600-700 mln lat temu. Zwierzęta te mają dwa układy nerwowe rozmieszczone w różnych częściach ciała.

Na tej podstawie autorzy proponują hipotezę, że współczesny mózg nie powstał od początku jako jedna struktura, ale może być efektem połączenia dwóch znacznie starszych układów nerwowych, których odrębne pochodzenie nadal można rozpoznać podczas rozwoju zarodka. „Nasze badania sugerują, że ewolucja wzięła dwa istniejące układy nerwowe i przestrzennie je ze sobą połączyła” — mówi Loh. Dodaje, że jeden wspólny sposób budowania całego mózgu mógłby wydawać się prostszy, ale organizm nadal korzysta z tego dawnego podziału i tworzy jego części osobno.

Rayyan Jokhai przyznaje, że ten wynik zaskoczył także autorów badania. Samo pojęcie mózgu sugeruje ciągły narząd o jednym początku. Tymczasem według wyników zespołu już ponad 500 mln lat temu istniały odrębne układy nerwowe, których odpowiedniki dziś działają razem niemal jak jedna całość.

Badacze chcą teraz sprawdzić, jak do tego obrazu pasuje rdzeń kręgowy, oraz dokładniej prześledzić, w jaki sposób SMA i ALS uszkadzają neurony tyłomózgowia. Mają przy tym narzędzie, którego dotąd brakowało: możliwość hodowania właściwych komórek w laboratorium i obserwowania ich od najwcześniejszych etapów rozwoju.

Źródła

Carolyn Dundes, Rayyan Jokhai i in., „Two parallel neural ectoderm progenitors contribute to the developing brain”, Nature Neuroscience, 18 września 2026, DOI: 10.1038/s41593-026-02433-7.

Krista Conger, „Human brain is two separate organs, Stanford Medicine-led research finds”, Stanford Medicine, 18 września 2026.

• Nauki biologiczne i rolnicze
• Nauki medyczne