スタンフォード医学チームは、脳が古代の 2 つの神経系で構成されており、さまざまな症状を治療するために脳細胞を成長させる取り組みに役立つ可能性があることを発見しました。

研究者たちは何十年もの間、発生の初期段階で脳全体を生み出す単一の前駆細胞が存在するという理論に同意していました。このモデルは、脳のすべての部分が共通の発生起源を共有していることを示唆しました。

しかし、スタンフォード医学が主導した新しい研究により、私たちが脳と呼ぶものは、数億年にわたって独立して進化した2つの異なる器官であることが明らかになりました。

新しい研究結果によると、人間の脳は、巧みにパッケージ化された2つの古代の神経系で構成されている。1つは、心拍、呼吸、その他の機能を調節するより原始的な部分で、もう1つは、私たちを明確に人間たらしめ、詩や計算ができ、自分自身の起源について疑問を抱くことができる部分である。

脳幹の状態と考えられる治療法についての研究を奨励する

この発見は、科学者たちが研究室で特定の種類の脳細胞を増殖させるのに何十年も苦労してきた理由を説明するのに役立つ可能性があり、脊髄性筋萎縮症（SMAとしても知られる）や筋萎縮性側索硬化症（ALSまたはルー・ゲーリッグ病としても知られる）など、脳幹に影響を与える壊滅的な疾患を研究するための新たな道を開く可能性がある。

「脳の前部が脳の後部とは全く異なる前駆細胞から生じていることを初めて示しました」と発生生物学准教授のカイル・ロー博士は語った。 「私たちの発見は、ペトリ皿の中で脳の後ろ、後脳からニューロンを成長させ、その機能を研究できることを意味します。」

結果は、 自然の神経科学。 Loh が筆頭著者です。大学院生の Carolyn Dundes と Rayyan Jokhai がこの研究の筆頭著者です。

二つの頭脳

成人の脳には、前脳、中脳、後脳という 3 つの主要な領域があります。前脳は、言語、意識、抽象的推論といった高次の思考を処理します。その代わりに、頭蓋骨の後ろに位置し、しばしば脳幹と呼ばれる後脳が、呼吸、睡眠、心拍数と空腹衝動の調節など、私たちの命を維持するための重要な自動的な機能を制御します。後脳のニューロンは、顔、舌、喉の筋肉も制御し、発話や嚥下に影響を与えます。

後脳の重要性にもかかわらず、科学者たちは実験室でヒトの後脳からニューロンを生成することに数十年にわたって苦労してきました。このギャップにより、脊髄性筋萎縮症や筋萎縮性側索硬化症など、脳幹に影響を及ぼす重篤な疾患の研究が妨げられてきました。

SMA は、1 歳未満の小児の主な遺伝的死因です。 ALS は 40 歳から 70 歳の間に診断されることが多く、前​​脳と後脳の両方に影響を及ぼします。どちらの疾患でも、後脳の特定のニューロンが徐々に機能を停止し、患者は嚥下能力を失い、食物や液体が肺に吸い込まれると肺炎を引き起こす可能性があります。最終的に、患者は呼吸する能力を失います。

研究者らの画期的な発見は、体が形作られる原腸形成と呼ばれる段階で、胚発生の最初の瞬間を研究したことからもたらされた。ジョカイとダンデスは、後脳が分岐するのではなく、前脳と中脳を生み出す経路と平行した別の発達経路をたどることを発見しました。

研究者らは、発生中のマウスの胚を調べることでこのことを学びました。

彼らは 2 つの異なる脳前駆細胞を特定しました。 1 つは Otx2 と呼ばれる遺伝子を発現し、前脳と中脳となる予定です。もう 1 つは Gbx2 と呼ばれる遺伝子を発現し、後脳の形成に関与します。彼らは、これら 2 つの細胞集団が決して重複しないことを示しました。開発の初期段階では、これらは相互に排他的です。

次に、研究チームはこれらの細胞における DNA、つまりクロマチンのパッケージングを調べました。クロマチンは、細胞がどの遺伝子に簡単にアクセスできるか、どの遺伝子がアクセスできないようにクラスター化されているかを決定する方法の 1 つです。彼らが発見したことは驚くべきことでした。前神経外胚葉（将来の前脳と中脳）と後神経外胚葉（将来の後脳）は、根本的に異なるクロマチン構成を持っています。これらの違いは本質的に、各前駆細胞を、決して交差することのない平行な軌道上の旅行者として、それぞれの運命に固定しました。

「後脳からニューロンを作製するこれまでの試みでは、前脳と中脳から後脳の細胞に前駆細胞を引きつけようとした可能性が高いが、我々の研究ではそれは不可能であることが示された」とジョカイ氏は述べた。

この発見は、この分野における数十年にわたる挫折を説明しました。科学者たちは、ある種類の前駆細胞を、基本的に変換できない別の種類の前駆細胞に変換しようとしてきました。

「幹細胞生物学では、ニューロンのような最終的な種類の細胞を作り出すことに人々は常に執着しています」とジョカイ氏は言う。 「しかし、胚発生の初期段階から始めることが重要です。その初期の時点に注意深く注意を払うことで、脳の発達におけるこの基本的な区分を見つけることができました。」

後脳ニューロンの成長

この知識を武器に、研究者らは実験室でヒト多能性幹細胞（人体のあらゆる細胞を作り出すことができる細胞の一種）を後脳の運動ニューロンにすることに初めて成功した。これらの実験室で作製されたニューロンは、本物の後脳細胞の特徴をすべて示しました。それらは活動電位と呼ばれる電気活動の波を示し、顔面筋と嚥下筋を制御する後脳の部分を識別するタンパク質を生成しました。

最後に、研究者らは5億5千万年にわたる進化の時間を振り返った。彼らは、ニワトリの2つの起源の同じ脳パターンを発見しました。ゼブラフィッシュ。そして驚くべきことに、ドングリ虫は、人間と遠い共通の祖先を持つ、海底に生息する小さな生き物です。約6億年から7億年前に人類から分かれたクラゲは、体の両端に2つの神経系を持っています。

「私たちの研究は、進化が既存の2つの神経系を獲得し、それらを空間的に結合したことを示唆しています」とロー氏は述べた。 「脳を 1 つの臓器として持つ方がおそらく効率的でしょうが、私たちは脳を 2 つの別々の部分として作るこの原始的な方法に依存しています。」

「『脳』という言葉はおそらく単一の起源を持つ連続した器官を暗示しているので、私たちの発見には驚きました」とジョカイ氏は語った。 「しかし、5億年前でさえ、これらの別々の神経システムが存在していましたが、現在ではそれらはほぼ1つとして機能しています。これは本当に素晴らしいことです。」

この研究は、SMA、ALS、および脳幹に影響を与えるその他の疾患の治療法の研究にも影響を及ぼします。これまで、科学者が生きた患者から脳幹組織を入手できないため、これらの疾患を研究することはほぼ不可能でした。これらのニューロンを皿の中で成長させることができると、何が問題になっているのかを理解するための新たな可能性が開かれます。肥満治療との予期せぬ関係さえあります。後脳には空腹感を調節する回路があり、セマグルチドのような減量薬はまさにそれによって機能します。

研究者らは、研究を拡大して脊髄発達の起源を解明し、SMAとALSがどのように後脳のニューロンの機能を損なうのかを正確に知りたいと考えていた。

「私たちは現在、これらの壊滅的な病気をより深く理解し、それらの再生療法に向けて取り組むためのモデルを手に入れました」とジョカイ氏は語った。 「これは脳研究における非常に刺激的な新境地です。」

カリフォルニア工科大学とカリフォルニア大学サンフランシスコ校の研究者がこの研究に貢献した。