Ο ανθρώπινος εγκέφαλος δεν «περιμένει» απλώς να ολοκληρωθεί η ανάπτυξή του. Πολύ πριν από τη γέννηση, οι πρόδρομες κυτταρικές δομές λαμβάνουν και συνδυάζουν σήματα από το περιβάλλον τους. Δύο νέες μελέτες ερευνητών του UCLA δείχνουν ότι οι αποφάσεις αυτές επηρεάζονται τόσο από τον τρόπο με τον οποίο τα κύτταρα χρησιμοποιούν τη γλυκόζη όσο και από την άμεση σωματική επαφή με σήματα που φτάνουν από τον θάλαμο.
Δύο διαφορετικά σήματα, μία κρίσιμη κυτταρική απόφαση
Στο επίκεντρο βρίσκονται τα radial glia, βλαστικά κύτταρα που παράγουν μεγάλο μέρος των νευρώνων και των υποστηρικτικών κυττάρων του εγκεφαλικού φλοιού. Η δραστηριότητά τους συνδέεται με τη μεγάλη ανάπτυξη του ανθρώπινου φλοιού, της περιοχής που συμμετέχει στη σκέψη, τη μνήμη και τη γλώσσα.
Η πρώτη μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Cell, συνδύασε ανάλυση δωρηθέντος ανθρώπινου ιστού με εγκεφαλικά οργανοειδή που αναπτύχθηκαν από βλαστικά κύτταρα. Οι ερευνητές δημιούργησαν έναν λεπτομερή χάρτη του μεταβολισμού στον αναπτυσσόμενο φλοιό και διαπίστωσαν ότι η μεταβολική δραστηριότητα δεν λειτουργεί μόνο ως «καύσιμο» για την ανάπτυξη. Μπορεί να επηρεάζει ενεργά το είδος των κυττάρων που θα παραχθούν.
Η γλυκόζη δεν είναι απλώς καύσιμο
Τα radial glia εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την οδό του φωσφορικού πεντοζών, μια μεταβολική διαδικασία που χρησιμοποιεί τη γλυκόζη για να παράγει υλικά απαραίτητα για ταχέως διαιρούμενα κύτταρα. Όταν οι ερευνητές περιόρισαν τη διαθέσιμη γλυκόζη ή παρενέβησαν σε αυτή την οδό, τα βλαστικά κύτταρα άλλαξαν το αναπτυξιακό τους αποτέλεσμα.
Στα πειράματα άρχισαν να παράγουν περισσότερους ανασταλτικούς νευρώνες και άλλους κυτταρικούς τύπους που κανονικά εμφανίζονται αργότερα στην ανάπτυξη. Το εύρημα προσφέρει ένα πλαίσιο για τη μελέτη του τρόπου με τον οποίο η διατροφή της μητέρας, μεταβολικές διαταραχές και άλλες περιβαλλοντικές επιδράσεις μπορεί να συνδέονται με την ανάπτυξη του εγκεφάλου. Δεν αποδεικνύει, όμως, ότι μια συγκεκριμένη διατροφική αλλαγή προκαλεί ή προλαμβάνει νευροαναπτυξιακή διαταραχή.
Ο θάλαμος αγγίζει τα κύτταρα του φλοιού
Η δεύτερη μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Science, εξέτασε σήματα από τον θάλαμο, μια βαθιά εγκεφαλική δομή που λειτουργεί ως κόμβος διαβίβασης πληροφοριών στο νευρικό σύστημα. Οι επιστήμονες γνώριζαν ότι οι νευρώνες του θαλάμου στέλνουν μακριές προβολές προς τον φλοιό, όμως στους ανθρώπους αυτές φτάνουν νωρίς, πριν δημιουργηθούν οι τελικές συνδέσεις.
Χρησιμοποιώντας assembloids — μοντέλα που συνδυάζουν οργανοειδή από διαφορετικούς εγκεφαλικούς ιστούς — η ομάδα παρατήρησε ότι οι θαλαμικές προβολές αγγίζουν σωματικά τα radial glia. Η επαφή αυτή άλλαξε τη συμπεριφορά των βλαστικών κυττάρων και τα οδήγησε στην παραγωγή περισσότερων διεγερτικών νευρώνων. Η επίδραση ήταν ιδιαίτερα έντονη στους νευρώνες των ανώτερων στιβάδων, οι οποίοι είναι περισσότερο ανεπτυγμένοι στον ανθρώπινο εγκέφαλο.
Τι δείχνει το εύρημα για το NRXN1
Οι ερευνητές συνέδεσαν τη σωματική αλληλεπίδραση με το NRXN1, γονίδιο που συμμετέχει στον σχηματισμό νευρωνικών συνδέσεων και έχει συσχετιστεί σε προηγούμενες μελέτες με τον αυτισμό. Σε assembloids που δημιουργήθηκαν από κύτταρα ασθενών με μετάλλαξη στο NRXN1, τα θαλαμικά σήματα συμπεριφέρονταν διαφορετικά.
Οι αλλαγές επηρέασαν την ισορροπία ανάμεσα στον αριθμό των βλαστικών κυττάρων και των νευρώνων που παρήγαγαν. Πρόκειται για ένα πειραματικό μοντέλο που μπορεί να βοηθήσει στη μελέτη πολύ πρώιμων μηχανισμών ανάπτυξης· δεν αποτελεί διάγνωση και δεν αποδεικνύει ότι η μετάλλαξη εξηγεί από μόνη της μια σύνθετη νευροαναπτυξιακή κατάσταση.
Από τα οργανοειδή στην πραγματική βιολογία
Οι δύο μελέτες συγκλίνουν σε μια ιδέα: τα radial glia δεν παίρνουν αποφάσεις απομονωμένα. Η χημεία του κυττάρου και οι φυσικές επαφές του με γειτονικούς ιστούς μπορούν να μετατοπίσουν την πορεία ανάπτυξης του φλοιού.
Τα οργανοειδή και τα assembloids επιτρέπουν στους επιστήμονες να εξετάζουν ανθρώπινα αναπτυξιακά στάδια που είναι δύσκολο να παρατηρηθούν απευθείας και δεν αποτυπώνονται πάντα σε ζωικά μοντέλα. Παραμένουν, ωστόσο, εργαστηριακά συστήματα: δεν αναπαριστούν ολόκληρο τον εγκέφαλο, την εγκυμοσύνη ή όλες τις αλληλεπιδράσεις ενός αναπτυσσόμενου ανθρώπου.
Η αξία της έρευνας βρίσκεται επομένως στο ότι φωτίζει τους μηχανισμούς με τους οποίους ο εγκέφαλος οργανώνεται από νωρίς. Το επόμενο βήμα είναι να ελεγχθεί σε ποιο βαθμό αυτοί οι μηχανισμοί ισχύουν στον ανθρώπινο οργανισμό και πώς συνδέονται με την ευαλωτότητα σε ασθένειες — χωρίς τα σημερινά ευρήματα να παρουσιάζονται ως έτοιμη θεραπεία.