Hjernen er to organer som vokser fra hver sin celle

En forskergruppe ved Stanford Medicine har fulgt musefostre gjennom de tidligste døgnene av fosterutviklingen, og funnet to typer forløperceller som går hver sin vei fra første stund.

Den ene bygger forhjernen og midthjernen, der tenkning, språk og bevissthet sitter. Den andre bygger bakhjernen, som styrer pust, hjerterytme og svelging. Studien beskriver dem som to organer med hver sin opprinnelse.

«Vi har for første gang vist at forsiden av hjernen oppstår fra en helt annen forløpercelle enn baksiden av hjernen», sier Kyle Loh, førsteamanuensis i utviklingsbiologi ved Stanford Medicine.

Feil i lærebøkene

Modellen som har stått i lærebøkene sier at hele hjernen vokser ut av én og samme celletype, og at delene skiller lag først et stykke ut i løpet. Da ville forskjellen mellom forhjerne og bakhjerne være et spørsmål om hva cellene blir bedt om underveis.

Men Stanford-teamet leste av hvilke gener cellene slår på, og hvordan arvematerialet er pakket. To gener skilte lag med en gang: Cellene som slår på Otx2 blir forhjerne og midthjerne, og cellene som slår på Gbx2 blir bakhjerne.

Skillet er der fra det tidligste stadiet forskerne klarte å måle, under gastruleringen, som er fasen der fosteret legger ut de første lagene av kroppen. Ingen av de to gruppene går noen gang over i den andre.

Mønsteret er 550 millioner år gammelt

Det samme todelte mønsteret fant teamet igjen hos kylling, sebrafisk og eikenøttorm. Eikenøttormene er en marklignende gruppe sjødyr som deler en fjern stamfar med oss, og avstanden tilbake til stamfaren er mer enn 550 millioner år.

At oppdelingen i to organer holder seg gjennom hele spennet, tyder på at den er eldre enn hjernen slik vi tenker på den. «Vår forskning tyder på at evolusjonen tok to eksisterende nervesystemer og skjøv dem sammen», sier Loh.

Maneten, som skilte lag med oss for 600 til 700 millioner år siden, har fortsatt de to nervesystemene liggende i hver sin ende av kroppen. Hos oss ligger de oppå hverandre i samme hodeskalle. Loh påpeker at det ville vært mer effektivt å bygge hjernen som ett organ, men at vi er bundet til den urgamle oppskriften med to deler.

Bevisstheten sitter i den ene halvdelen

Stanford beskriver forhjernen som stedet for språk, bevissthet og abstrakt resonnement. Bakhjernen holder pusten, søvnen, hjerterytmen og sulten i gang, og den gjør det uten å spørre.

Det er altså den delen som sier «jeg» som vokser ut av Otx2-cellene, mens den delen ingen av oss har bestemt over noen gang, vokser ut av Gbx2-cellene. Grensen mellom deg og maskineriet ditt er ikke en arbeidsdeling hjernen kom fram til underveis. Den ble trukket før det fantes en hjerne å dele opp.

Rayyan Jokhai, som er stipendiat i Lohs gruppe og delt førsteforfatter sammen med Carolyn Dundes, sier han ble overrasket over funnet, fordi «ordet hjerne antyder et sammenhengende organ som sannsynligvis har én opprinnelse». Han legger til at det er «veldig kult» at «selv for 500 millioner år siden fantes det separate nervesystemer, som nå nesten fungerer som ett».

Derfor har cellene vært umulige å dyrke

Forskere har i årevis klart å lage nevroner fra forhjernen i skål, mens nevronene fra bakhjernen har nektet å bli til noe brukbart.

«Tidligere forsøk på å lage bakhjernenevroner prøvde sannsynligvis å overtale forløperceller fra forhjernen og midthjernen til å bli bakhjerneceller, og studien vår viser at det ikke er mulig», sier Jokhai.

Men med en ny oppskrift gikk det. Teamet styrte menneskelige pluripotente stamceller, altså celler som kan bli til hvilken som helst celletype i kroppen, inn i den riktige av de to banene, og fikk for første gang fram fungerende motornevroner fra bakhjernen. Teknikken er beslektet med den som brukes når hjernevev dyrkes frem i laboratoriet til helt andre formål.

ALS og spinal muskelatrofi

Ved amyotrofisk lateralsklerose, ALS, som oftest oppdages mellom 40 og 70 års alder, og ved spinal muskelatrofi, som er den hyppigste genetiske dødsårsak hos barn under ett år, dør nettopp de cellene som styrer pust og svelging.

Inntil nå har ikke forskerne hatt noe sted å prøve ut medisiner mot den delen av sykdomsbildet. Det er langt fra en celle i skål til en behandling. Likevel, nå er man kommet mye lengre.

Arbeidet er finansiert av blant andre de amerikanske forskningsrådene NIH og NSF, med bidragsytere fra Caltech og UC San Francisco.