Ученые из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе определили два ключевых механизма, которые влияют на развитие коры головного мозга человека. Оказалось, что стволовые клетки мозга – радиальная глия – получают команды не только изнутри, но и реагируют на обмен веществ и прямые физические сигналы из глубоких отделов мозга. Результаты двух исследований опубликованы в журналах Cell и Science.
Радиальная глия играет центральную роль в формировании человеческого мозга до рождения. Эти стволовые клетки производят нейроны и вспомогательные клетки коры – области, ответственной за мышление, память и речь. Именно активность радиальной глии, как считают ученые, объясняет значительное увеличение коры головного мозга человека по сравнению с другими видами. Нарушения в работе этих клеток связывают с пороками развития, психическими расстройствами и даже некоторыми видами рака мозга.
В первом исследовании ученые составили подробную карту метаболических процессов в развивающейся коре, используя образцы человеческих тканей и выращенные в лаборатории мозговые органоиды. Они обнаружили, что радиальная глия активно использует пентозофосфатный путь – метаболический процесс, расходующий глюкозу для производства «стройматериалов» для быстро делящихся клеток. Когда исследователи снижали уровень глюкозы или вмешивались в этот процесс, стволовые клетки меняли свою специализацию и начинали производить другие типы нейронов, которые в норме появляются на более поздних стадиях развития. Это доказывает, что обмен веществ не просто поддерживает развитие мозга, а активно им управляет.
Вторая работа была посвящена сигналам, которые поступают из таламуса – структуры в глубине мозга, распределяющей сенсорную информацию. Нервные волокна из таламуса прорастают в кору на очень ранних этапах, задолго до того, как сформируются окончательные нейронные связи. С помощью «ассемблоидов», объединяющих органоиды разных отделов мозга, ученые выяснили причину. Оказалось, что отростки таламических нейронов физически соприкасаются с клетками радиальной глии.
Этот контакт заставляет стволовые клетки производить больше возбуждающих нейронов – основных передатчиков сигнала в коре, особенно в ее верхних слоях, которые наиболее развиты у человека. Этот механизм, по-видимому, уникален для людей и отсутствует у грызунов. Ученые также связали это взаимодействие с геном NRXN1, мутации в котором ассоциируются с расстройствами аутистического спектра. Эксперименты с клетками пациентов показали, что дефектный ген нарушает баланс между количеством стволовых клеток и производимых ими нейронов.
Оба исследования показывают, что стволовые клетки мозга не принимают решения изолированно, а постоянно реагируют на внешнюю среду. Эти открытия стали возможны благодаря технологии мозговых органоидов, которая позволяет в лаборатории изучать уникальные аспекты развития человеческого мозга, недоступные при работе с животными моделями. Понимание этих механизмов открывает новые пути для изучения причин врожденных патологий и поиска методов их коррекции.
