Jak powstaje ludzki mózg. Od zapłodnienia do narodzin - ebook

PRZEDMOWA

Matka bawi się paluszkami swojego nowo narodzonego dziecka. Wpatrując się w lśniące oczy maluszka, mówi: „Moja maleńka, jesteś po prostu niesamowita!”. Dziecko jest z jej ciała, a jednak jest zupełnie unikalne. Ma swoje własne palce i błyszczące oczy, a także swój własny umysł. Jego mózg dobrze chroni czaszka, więc matka nie może go zobaczyć i podziwiać. A szkoda, bo jest naprawdę cudowny – żywy, szumiący superkomputer z miliardami elektrycznie aktywnych, rozciągniętych komórek zwanych neuronami, które tworzą między sobą miliardy plastycznych połączeń. Od razu po urodzeniu mózg jest przygotowany do gromadzenia i przechowywania istotnych informacji o świecie, i do wykorzystywania tych informacji przy podejmowaniu wszelkiego rodzaju decyzji, nawet jeśli dziecko nadal potrzebuje stałej opieki rodziców. Jego mózg ma moc integrowania instynktu i doświadczenia, bycia ciekawskim, zapuszczania się na nieznane tereny, eksperymentowania i wymyślania, dotykania nowych tekstur i przeżywania nowych emocji. Jego mózg ma też najwyższą moc, by stać się fundamentalną częścią wschodzącego poczucia własnego ja dziecka. Znacznie prościej ujęła to Emily Dickinson w wierszu o mózgu z 1862 roku:

The Brain—is wider than the Sky—

For—put them side by side—

The one the other will contain

With ease—and you—beside—

Mózg – obszerniejszy jest niż niebo,

Bo – przyłóż jedno obok drugiego –

Pierwsze drugie pomieści

Z łatwością – i ciebie – do tego –

Mózg i sposób jego działania od wieków są przedmiotem fascynacji i dociekań. I choć wiele się już o nim dowiedzieliśmy, narząd ten nadal kryje w sobie mnóstwo tajemnic.

Jedna z największych tajemnic ludzkiego mózgu dotyczy tego, jak się on w ogóle kształtuje – to znaczy, jak powstaje i rozwija się w łonie matki, od momentu zapłodnienia do narodzin. Kiedy stawiałem pierwsze kroki w tej dziedzinie jako młody naukowiec w połowie lat 70. ubiegłego wieku, niewiele wiedziano na ten temat, między innymi dlatego, że ten dynamiczny proces nie jest oczywiście czymś, co łatwo poddaje się obserwacji. Jednak od tamtych czasów ta dziedzina badań – neurobiologia rozwoju – zrobiła znaczne postępy. Naukowcy z całego świata angażują się w poszukiwanie wskazówek dotyczących powstania i formowania układu nerwowego, wykorzystując coraz bardziej zaawansowane techniki badawcze i eksplorując pogranicza biologii rozwoju, biologii ewolucyjnej, genetyki i neurobiologii. W rezultacie w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat dokonano wielu nowych ekscytujących odkryć na temat rozwoju i ewolucji mózgu. W tej książce poznamy te odkrycia, którym zawdzięczamy lepsze zrozumienie tego, jak wykształca się mózg dziecka. Opisując najbardziej fascynujące i rewolucyjne eksperymenty, które pozwoliły nam lepiej zrozumieć mechanizmy rozwoju mózgu, zwracam również uwagę na pytania, będące motywacją do przeprowadzenia tych eksperymentów. Wyjaśniam też, w jaki sposób je wykonano. Kiedy ich wyniki były zaskakujące, a interpretacje błędne? Jak te eksperymenty i zdobyta dzięki nim wiedza zmieniły nasze spojrzenie na mózg i jego rozwój? Ta książka jest kroniką nauki, która doprowadziła nas do obecnego stanu wiedzy o rozwijającym się mózgu.

Nie zdradzę wiele z głównego wątku, jeśli powiem, że ta opowieść rozpoczyna się od jednej zapłodnionej komórki jajowej. Powstaje z niej zarodek, w którym grupa komórek zostaje przeznaczona czy też przypisana do utworzenia mózgu. Opowieść podąża za tymi komórkami, gdy wytwarzają neurony, które formują połączenia w rosnącym mózgu, i kończy się, jak można się spodziewać, na w pełni ukształtowanym ludzkim mózgu. Duża część narracji dotyczy wydarzeń na poziomie komórkowym, ponieważ to właśnie w tej skali łatwiej zrozumieć etapy i podstawowe zasady dotyczące procesu powstawania mózgu. Z pewnej perspektywy opowiadana przeze mnie historia może przypominać nieco biografię dojrzewania neuronu. Po drodze pojawia się kilka kluczowych pytań: jakie wydarzenia sprawiają, że pewna populacja komórek zarodka staje się komórkami w naszych mózgach? Ile rodzajów komórek znajduje się w mózgu? Jaki wpływ mają pochodzenie i środowisko neuronu na jego specyficzne przeznaczenie do stania się określonym rodzajem neuronu i indywidualną komórką naszego ciała? W jaki sposób neurony wykształcają swoje nitkowate wypustki zwane aksonami i dendrytami, które tworzą wszystkie właściwe rodzaje elektrycznie aktywnych połączeń, zapewniając prawidłową architekturę sieci? Dlaczego tak wiele neuronów w naturalny sposób umiera w pierwszych latach życia? Co musi przejść neuron, by stać się trwałą częścią naszego mózgu? Jak ten neuron będzie się zmieniał przez lata? Choć rozwija się on w znikomo małej skali komórkowej i molekularnej, biografia neuronu jest pełna dramatyzmu, a ta książka otworzy okno na scenę wydarzeń.

W historię rozwoju mózgu wpleciona jest równoległa opowieść, która sięga dalej w przeszłość – opowieść o bardziej pierwotnym typie ewolucji ludzkiego mózgu, czyli innymi słowy o tym, jak ludzie uzyskali ludzkie mózgi. Ta historia również zaczyna się od pojedynczych komórek, tyle że istniejących miliardy lat temu w pierwotnej zupie wczesnego życia na Ziemi. Opowieść o ewolucji kończy się w tym samym miejscu, w którym kończy się opowieść o rozwoju: na w pełni uformowanym ludzkim mózgu. Nie są to więc niezależne wątki. Badania w na styku biologii ewolucyjnej i biologii rozwoju (procesy onto- i filogenezy) przyniosły na przykład odkrycie, że wiele genów i ścieżek molekularnych, które wpływają na etapy rozwoju embrionalnego naszych mózgów, to te same geny i ścieżki molekularne, które odpowiadają za kolejne etapy ewolucji gatunku ludzkiego. Choć więc książka ta koncentruje się głównie na rozwoju mózgu, wplatam w nią perspektywę ewolucyjną, aby zaproponować szerszy kontekst i głębszy wgląd. Spojrzenie na ludzki mózg przez pryzmat jego początków rozwojowych oraz ewolucyjnych daje nam bogatszy obraz naszych typowo ludzkich cech.

Nasze ewolucyjnie odziedziczone ludzkie genomy (nasza ludzka „natura”) zawierają podstawowe plany konstrukcyjne ludzkiego mózgu, a nasze interakcje ze środowiskiem („wychowanie”) mogą wpływać na proces kształtowania się jego architektury i sterować nim. I odwrotnie: na oddziaływanie środowiska często wpływają różnice genetyczne między jednostkami. Natura wpływa na wychowanie, a wychowanie na naturę. Ci, którzy za wiele zastanawiają się nad kwestią „wrodzone czy nabyte” (nature vs. nurture), często nie biorą pod uwagę innego ważnego czynnika: przypadku. Na wiele aspektów rozwoju mózgu wpływają zdarzenia losowe. Przykłady podane w tej książce podkreślają, że w tworzeniu mózgu rolę odgrywają i geny, i środowisko, i Fortuna.

W miarę, jak neurobiologowie rozwoju pogłębiali swoją wiedzę na temat licznych genów i ścieżek molekularnych zaangażowanych w kształtowanie się mózgu, znajdowaliśmy nowe związki między tymi genami a coraz większą liczbą rozpoznanych chorób neurologicznych i psychicznych, z których część pojawia się po okresie dzieciństwa. Ponieważ proces powstawania mózgu składa się z tysięcy kroków i biorą w nim udział tysiące genów, wiele rzeczy może pójść nie tak. Z perspektywy prac nad strategiami leczenia wspomnianych chorób niezwykle cenna jest wiedza o tym, które geny i ścieżki molekularne biorą udział w kształtowaniu się mózgu i ostatecznie mogą zostać wykorzystane w potencjalnym leczeniu. Innym kluczowym wyzwaniem dla medycyny jest odkrycie sposobów naprawy mózgu po urazie lub chorobie. W ludzkim płodzie powstają miliardy neuronów, ale dorosły człowiek traci młodzieńczą zdolność mózgu do tworzenia nowych neuronów i zastępowania tych, które zostały utracone w wyniku urazu lub choroby. Tak samo w trakcie rozwoju neurony w mózgu łączą się prawidłowo, ale u dorosłych odcięte aksony w mózgu nie są w stanie odrosnąć i prawidłowo się połączyć. Jako że dojrzewający mózg traci z wiekiem zdolność do zastępowania uszkodzonych neuronów i odtwarzania połączeń, regeneracja „zepsutych” ludzkich mózgów jest mitycznym świętym Graalem nauk medycznych. Jest to niezwykle trudne nie tylko dlatego, że wykształcanie się mózgu jest (jak się przekonamy) tak złożonym i wrażliwym procesem, ale także dlatego, że w łonie matki zachodzi jeszcze tak wiele innych procesów o kluczowym znaczeniu. Matczyne łono dobrze strzeże swoich tajemnic i szczególnie w sferze nauk eksperymentalnych musimy zachować wielką ostrożność w dążeniu do pogłębiania naszej wiedzy. Niemniej dokonano już i dokonuje się nadal wyjątkowych postępów. Na przykład dzięki wnioskom wyciągniętym z badań nad rozwojem neuralnym naukowcy są obecnie w stanie pokierować hodowanymi komórkami macierzystymi w taki sposób, by przekształcały się w określone typy neuronów w mózgu lub stawały się organoidami ludzkiego mózgu – mikroskopijnymi ludzkimi minimózgami – które można wykorzystywać do badania chorób mózgu i poszukiwania lekarstw oraz strategii jego naprawy, które mogą złagodzić cierpienie.

Ktoś mógłby zapytać: czy wiedza na temat tego, jak powstaje ludzki mózg, pomoże nam lepiej zrozumieć jego działanie? Przecież możemy się nauczyć, jak coś zbudować, nie wiedząc, co ta rzecz robi. Ale w tym przypadku dysponujemy już ogromnymi i szybko rosnącymi zasobami wiedzy naukowej na temat działania mózgu, mamy więc już dobre wyczucie tego, co robi mózg. W tym kontekście nauczenie się, jak zbudować go od podstaw, powinno pomóc nam w zrozumieniu, jak mózg robi to, co robi, a konkretnie, w jaki sposób informacje sprawnie przez niego przepływają.

Ostatni rozdział tej książki skupia się na tym, jak ludzki mózg ewoluował od naszych najbliższych naczelnych krewnych i człowiekowatych przodków. Co (jeśli w ogóle) zasadniczo różni ludzkie mózgi od mózgów naszych wymarłych przodków i żyjących krewnych, i jak powstały te różnice? Jakie specjalne mechanizmy są niezbędne do zbudowania typowego, współczesnego ludzkiego mózgu w odróżnieniu od mózgu innych gatunków? Ludzki mózg, z którym przychodzimy na świat, zmienia się pod wpływem doświadczeń (zwłaszcza tych w okresie dzieciństwa), zmienia go też zasób osobistych informacji, umiejętności i wspomnień. Okazuje się, że mechanizmy rozwoju, które tworzą nasze mózgi, sprawiają, że nie ma dwóch takich samych ludzkich mózgów. To, co czyni nas wszystkich ludźmi, sprawia jednocześnie, że każdy z nas jest inny.

Opowieść, którą przedstawiam na następnych stronach, jest więc złożona i wielowątkowa. Z perspektywy neurobiologa doświadczalnego w dziedzinie, której rozwoju osobiście byłem świadkiem i uczestnikiem, opisuję, jak nauka odkryła struktury i mechanizmy rozwijającego się mózgu od najwcześniejszego etapu embrionalnego po narodziny i trochę dalej. Opowieść rozwija się chronologicznie, krok po kroku, podążając w ślad za rzeczywistym wzrostem i rozwojem ludzkiego mózgu. W narrację wplecione są wyniki badań nad różnymi organizmami modelowymi, takimi jak nicienie, muchy, żaby, ryby, ptaki, myszy, a czasem naczelne, co wzbogaca wykład o perspektywę procesów ewolucyjnych wykazujących wiele podobieństw do procesów rozwojowych. Książka kończy się rozważaniami na temat tego, co decyduje o niepowtarzalności indywidualnych mózgów i jak badania nad wczesnym rozwojem neuralnym pomagają nam lepiej zrozumieć genetyczne i embrionalne pochodzenie wielu cech neurologicznych i poznawczych, które ujawniają się dopiero w późniejszym życiu. Opowieść o tym, jak rozwija się ludzki mózg, od poczęcia do narodzin, to historia stawania się kimś jedynym w swoim rodzaju. Ciągle ją odkrywamy i badamy.ROZDZIAŁ 1
POWSTANIE NEURONÓW

W którym pewne komórki zarodkowe stają się neuralnymi komórkami macierzystymi, założycielami układu nerwowego, i w którym po raz pierwszy możemy podejrzeć ewolucję mózgowia.

Totipotencjalne komórki macierzyste

Pod koniec XIX wieku dokonał się ogromny postęp w embriologii. Na stawiane od stuleci pytania o to, jak z pojedynczej komórki jajowej wyłania się złożony z wielu części organizm, zaczęto wówczas udzielać odpowiedzi opartych już nie na dywagacjach, lecz na eksperymentach. Jedno z podstawowych pytań brzmiało: czy po podziale zapłodnionej komórki jajowej każda z dwóch komórek potomnych może dać początek kompletnej istocie, czy też obie w jakiś sposób dzielą między sobą ten potencjał? Tego nie sposób rozstrzygnąć w drodze dyskusji. Aby rozwiązać tę kwestię, konieczne było przeprowadzenie eksperymentu na prawdziwych zarodkach.

Wyzwanie podjął w 1888 roku Wilhelm Roux z Instytutu Embriologii we Wrocławiu, wykorzystując do tego celu zarodki żaby w stadium dwukomórkowym. Roux wprowadzał rozgrzaną igłę do jednej z dwu komórek, po czym obserwował rozwój embrionu z pozostawionej przy życiu drugiej komórki. Okazało się, że większość zarodków przybierała wygląd połowy zwierzęcia, na przykład prawej lub lewej połówki embrionu, nie zaś całości. Na podstawie tych wyników Roux stwierdził, że zdolność do stworzenia całego zwierzęcia rzeczywiście jest dzielona na dwa już przy pierwszym podziale komórki. Ponieważ był to pierwszy w historii eksperyment naukowy przeprowadzony na zarodku jakiegokolwiek typu, Rouxa uważa się za ojca całej dziedziny embriologii eksperymentalnej, która stała się kamieniem węgielnym biologii rozwoju.

Wyniki Rouxa były nie do podważenia, ale zaproponowana przez niego podstawowa interpretacja została przyjęta z rezerwą, nie można bowiem było wykluczyć, że na rozwój ocalałej komórki wpływała obecność komórki martwej. Kilka lat później inny embriolog, Hans Driesch z morskiej stacji biologicznej w Neapolu, przeprowadził bardzo podobny eksperyment, używając jednak embrionów jeżowca, a nie żaby. Zaletą jeżowców było to, że do rozdzielenia komórek w stadium dwukomórkowym wystarczało delikatne potrząśnięcie, dzięki czemu znikał problem ewentualnego wpływu sąsiednich martwych komórek. Driesch w swoim eksperymencie uzyskał wyniki odwrotne niż Roux. Każda z dwu komórek, zamiast rozwinąć się w pół zwierzęcia, dała początek całemu jeżowcowi.

Doświadczenie Driescha wzmocniło rzecz jasna podejrzenia, że wyniki Rouxa były efektem obecności martwej komórki. Z drugiej strony nie można było wykluczyć, że zaobserwowana rozbieżność wskazuje na podstawową różnicę w sposobie rozwoju jeżowców i żab. Dlatego też kluczowe stało się sprawdzenie, co by się stało, gdyby pierwsze dwie komórki żabiego embrionu można było całkowicie oddzielić i obie utrzymać przy życiu. Taki eksperyment był wówczas (i jest nadal) jednak niezwykle trudny, ponieważ na tym etapie rozwoju komórki zarodka płazów nie są jeszcze w pełni rozdzielone. Niemniej w 1903 roku udało się tego dokonać uczonemu z Uniwersytetu w Würzburgu, Hansowi Spemannowi, który z delikatnego włoska swojego nowo narodzonego dziecka utworzył mikroskopijną pętlę. Umieścił ją między dwiema komórkami i zaczął powoli zaciskać, stopniowo, minuta po minucie, z niesamowitą precyzją i opanowaniem. Po całkowitym zaciśnięciu pętli komórki oderwały się od siebie, obie żywe. W wielu przypadkach każda z tych komórek tworzyła cały zarodek. Wydaje się, że interpretacja Rouxa dotycząca podzielonej potencji rzeczywiście była błędna i prawdopodobnie wynikała z obecności martwej komórki, choć biologicznej przyczyny rezultatów Rouxa nigdy tak naprawdę dokładnie nie zbadano.

A co ze ssakami? W 1959 roku Andrzej Tarakowski z Uniwersytetu Warszawskiego oddzielił pojedyncze komórki z dwu- lub czterokomórkowego zarodka myszy, a następnie umieścił każdą z nich w łonie przybranych matek. Z tych wyizolowanych komórek często rozwijały się zdrowe myszki. Podobne eksperymenty przeprowadza się obecnie z wieloma innymi ssakami. U ludzi bliźnięta jednojajowe powstają w wyniku spontanicznego rozdzielenia jednego zarodka na dwa i choć nadal nie wiadomo dokładnie, kiedy i jak dochodzi do odłączenia, to w momencie takiego podziału komórki embrionalne są w stanie dać początek kompletnym istotom ludzkim. Parom, u których występuje ryzyko przekazania poważnych nieprawidłowości genetycznych, oferuje się badania genetyczne wczesnych zarodków zapłodnionych in vitro (zarodki IVF). Pobiera się wówczas do badania jedną komórkę ludzkiego zarodka w stadium cztero- lub ośmiokomórkowym. Jeśli nie stwierdzi się oczywistych wad genetycznych, pozostały trzy- lub siedmiokomórkowy zarodek można przetransferować do macicy, ponieważ ryzyko, że usunięcie jednej komórki naruszyło potencjał pozostałych komórek do stworzenia całego człowieka, jest niewielkie. Rezultaty są więc często pomyślne. Dlatego o komórkach zarodkowych na tym etapie mówi się, że są totipotencjalne: zdolne do stworzenia wszystkiego.

Skąd się wzięło mózgowie?

W naszych genach zapisana jest ciągnąca się przez eony historia ewolucji ludzkiego mózgowia. Zawarte w nich informacje służą do odtworzenia zupełnie od nowa tego narządu u każdego dziecka. Każdy z nas rozpoczyna życie jako pojedyncza komórka jajowa, mniejsza od ziarenka soli. Komórka ta w środku zawiera jądro, a z zewnątrz okryta jest błoną komórkową, podobnie jak jej wszyscy ewolucyjni przodkowie od powstania życia komórkowego 4 miliardy lat temu. W jądrze komórki jajowej znajdują się instrukcje dotyczące utworzenia całej istoty ludzkiej. Komórka plemnikowa, która ma swój własny zestaw komplementarnych instrukcji, znajduje jajo i przeciska się do środka. Zapłodnione jajo z kopią genomu od każdego z rodziców zaczyna się dzielić. Najpierw dzieli się na dwie komórki. Dwie komórki stają się czterema, potem ośmioma i tak dalej. Wkrótce powstaje zarodek składający się z tysięcy komórek. Każda z tych komórek zawiera jądro, a każde jądro ma dostęp do pełnego zestawu instrukcji.

Niektóre instrukcje dotyczące tworzenia mózgowia pochodzą od pierwotniaków, jednokomórkowych organizmów z eonu proterozoicznego (proterozoiku). Wyczuwały one swoje lokalne środowisko i odpowiednio na nie reagowały. Same nie miały mózgowia – miały jednak coś, co można by nazwać jego zaczątkiem. Licznie żyjące współczesne pierwotniaki są pobudliwe i ruchliwe; szukają pożywienia i partnerów, adaptują się do nowych sytuacji, przechowują wspomnienia o wydarzeniach i podejmują decyzje. Współczesne jednokomórkowe stworzenia, takie jak pantofelki, są reliktami tego pradawnego eonu, które poprzedziły powstanie wielokomórkowych zwierząt o co najmniej miliard lat. Kiedy pantofelek dopływa do ściany, zmienia orientację i kieruje się w inną stronę. Pantofelki poruszają się w wyniku skoordynowanego bicia tysięcy maleńkich rzęsek pokrywających całe ich ciało. Mechaniczny bodziec wywołany zderzeniem otwiera kanały wapniowe w błonie komórkowej pantofelka. Przez otwarte kanały zaczynają przedostawać się jony wapnia, co wywołuje przepływ prądu i zmienia potencjał błony. Na tę zmianę wrażliwe są inne jonowe kanały wapniowe rozmieszczone w błonie komórkowej, które w odpowiedzi również się otwierają. Otwarcie zależnych od potencjału kanałów pozwala na napływ jeszcze większej ilości wapnia przez błonę, co powoduje dalszą zmianę potencjału błonowego i otwieranie kolejnych kanałów. To wybuchowe elektryczne sprzężenie zwrotne działa na tej samej zasadzie, co impulsy nerwowe występujące w komórkach naszego układu nerwowego, z tą różnicą, że neurony do generowania impulsu używają raczej jonów sodu niż jonów wapnia. U pantofelka impuls elektryczny powoduje natychmiastowy napływ jonów wapnia przez całą błonę, co prowadzi do jednoczesnego zakłócenia ruchu rzęsek i w efekcie pantofelek koziołkuje. Gdy komórka powróci do stanu wyjściowego, zmierza już w nowym kierunku. Kanały błonowe pantofelka aktywowane przez odkształcenia mechaniczne oraz kanały aktywowane przez zmiany potencjału są ewolucyjnie spokrewnione z kanałami występującymi w neuronach wszystkich zwierząt. Wydaje się, że wiele właściwości naszego mózgowia zostało już wcześniej zakodowanych w DNA naszych jednokomórkowych przodków. To, w jaki sposób jednokomórkowce uzyskały te neuropodobne właściwości, kryje się jeszcze głębiej, w początkach ewolucji życia na Ziemi.

Pierwotniaki, takie jak pantofelki, mają wiele wyspecjalizowanych funkcji, które zlokalizowane są w odrębnych przedziałach (kompartmentach) komórki: układ pokarmowy, układ oddechowy, rzęski służące do poruszania się, jądro przenoszące kluczowe informacje zgromadzone od początku istnienia życia oraz pobudliwa błona komórkowa zdolna do wywoływania szybkich zmian w zachowaniu. Pierwotniaki muszą wszystkie te funkcje, i wiele innych, realizować jako jedna komórka. Wraz z pojawieniem się zwierząt wielokomórkowych komórki mogły się wyspecjalizować i podzielić pracą. Mózgowie jest zbiorem neuronów, które komunikują się ze sobą za pomocą synaps. Układy nerwowe z prawdziwymi neuronami i synapsami nie powstały – i nie mogłyby powstać – dopóki nie narodziły się wielokomórkowe formy życia. Meduzy należą do zwierząt z typu parzydełkowców, który pojawił się około 600 milionów lat temu. Parzydełkowce mają sieć połączonych ze sobą neuronów, które dzielą wiele cech z neuronami zwierząt dwubocznie symetrycznych, takich jak my. Zwierzęta dwubocznie symetryczne także pojawiły się na jednym z najwcześniejszych rozgałęzień na drzewie wielokomórkowego życia zwierzęcego. Parzydełkowce i zwierzęta dwuboczne mogły wykształcić neurony i synapsy niezależnie, ale równie prawdopodobne jest, że atrybuty te wyewoluowały raz – u wspólnego przodka obu grup. Pierwsze kręgowce powstały ponad 450 milionów lat temu. Wczesne kręgowce są najbliżej spokrewnione z dzisiejszymi minogami. Minogi mają nie tylko neurony takie jak my, ale też podobny schemat układu nerwowego obejmujący mózgowie z anatomicznymi i funkcjonalnymi zaczątkami kory mózgu, czyli tego regionu, który jest tak bardzo rozbudowany u człowieka.

Gdzie są neuralne komórki macierzyste?

Kiedy, gdzie i jak powstają pierwsze neurony u zwierząt? Około 3,5 miliarda lat temu organizmy jednokomórkowe łączyły się czasami w proste wielokomórkowe formy życia, które mogły podzielić między siebie zadania. W wielokomórkowej formie życia zwanej człowiekiem komórki również zaczynają podejmować określone funkcje. Jedne będą budować mięśnie i kości, inne wytworzą skórę, jeszcze inne utworzą układ pokarmowy itd. Te, które zajmą się budową mózgowia i reszty układu nerwowego, to właśnie neuralne komórki macierzyste.

Jeśli wybierzesz się wczesną wiosną na spacer do lasu i z jakiegoś oczka wodnego wyłowisz parę świeżo złożonych jaj żaby, to zapewne rzuci ci się w oczy, że mają one ciemniejszą i jaśniejszą połówkę (ryc. 1.1). Ciemniejsza połowa nazywana jest stroną animalną, jaśniejsza zaś – wegetatywną. Biegun animalny i biegun wegetatywny wyznaczają oś animalno-wegetatywną zarodka. Zapłodnienie żabiego jaja przez plemnik inicjuje ruch ciemnych ziaren pigmentu w kierunku miejsca wniknięcia plemnika.

RYCINA 1.1. Komórka jajowa żaby krótko po zapłodnieniu. W miejscu wniknięcia plemnika widoczny jest ślad w postaci skupiska ziarenek pigmentu (blisko górnej części rysunku). Biegun animalny znajduje się u góry, a wegetatywny u dołu. Szary półksiężyc powstaje naprzeciwko miejsca wniknięcia plemnika na półkuli animalnej w pobliżu równika. Szary półksiężyc wyznacza grzbietową lub tylną stronę rozwijającego się zarodka żaby.

Przesunięcie to prowadzi do rozjaśnienia po przeciwległej stronie jaja, gdzie można zobaczyć tzw. szary półksiężyc, który rośnie niczym księżyc w nowiu. Szary półksiężyc znajduje się po tej stronie żabiego zarodka, która stanie się stroną grzbietową przyszłej kijanki. Możemy teraz narysować kolejną linię od strony grzbietowej do brzusznej. Te ciemne, jasne i szare strefy utrzymują się do czasu, kiedy zarodek żaby osiągnie stadium rozwoju zwane blastulą. Blastula to złożona z kilkuset komórek kula z jamą, wypełnioną płynem, w środku. Ludzkie zarodki osiągają stadium blastuli po upływie mniej więcej tygodnia od zapłodnienia.

Embriologowie z końca XIX wieku chcieli zrozumieć, w jaki sposób ta kula komórek przekształca się w małą kijankę, zaczęli więc obserwować komórki, które miały stałe lokalizacje o określonych współrzędnych na osi animalno-wegetatywnej i grzbietowo-brzusznej. Barwili komórki trwałymi pigmentami i notowali, gdzie trafiał pigment. Takie eksperymenty przeprowadza się dziś na zajęciach z embriologii na całym świecie, dzięki czemu studenci sami mogą odkrywać pochodzenie trzech wielkich listków zarodkowych embrionu kręgowców: ektodermy, mezodermy i endodermy (od greckich słów oznaczających warstwę zewnętrzną, środkową i wewnętrzną). Jasna wegetatywna jedna trzecia blastuli staje się endodermą, z której wywodzi się przewód pokarmowy i jego układy narządów. Równikowa jedna trzecia pomiędzy biegunami animalnym i wegetatywnym, zawierająca szary półksiężyc po stronie grzbietowej, staje się mezodermą, która daje początek mięśniom i kościom. Ciemna animalna część zarodka, zwana czapeczką animalną, staje się ektodermą, z której rozwinie się naskórek i układ nerwowy. Studenci na zajęciach z embriologii często idą jeszcze dalej i przekonują się, że pierwotny układ nerwowy wywodzi się tylko z grzbietowej połowy ektodermy, czyli z regionu położonego bezpośrednio nad szarym półksiężycem.

Organizator

Wiedza o tym, które komórki blastuli staną się neuralnymi komórkami macierzystymi, pozwoliła Hansowi Spemannowi, pracującemu wówczas we Fryburgu, zaprojektować pewien eksperyment mający na celu sprawdzenie, czy komórki te są w stanie dać początek innym tkankom, czy też zostały ograniczone do wytworzenia jedynie układu nerwowego. Spemann pobierał grupy komórek z określonej lokalizacji jednego zarodka i przeszczepiał je w inne miejsce na drugim zarodku. Spemann nie byłby sobą, gdyby na potrzeby tych eksperymentów nie wynalazł całej gamy nowych mikronarzędzi, między innymi niewiarygodnie cienkie szklane pipety sterowane palcem, za pomocą których można było ostrożnie przenosić maleńkie fragmenty tkanki embrionalnej między zarodkami, oraz supercienkie skalpele do wycinania takich fragmentów. Dzięki tym narzędziom i swojej niezwykłej zręczności Spemann mógł wykonywać precyzyjne eksperymenty typu „wytnij i wklej” na zarodkach płazów. W pewnej serii doświadczeń przeszczepiał fragmenty jednej blastuli w różne miejsca drugiej. Kiedy przeniósł kawałek ektodermy grzbietowej z blastuli zarodka traszki (czyli ten fragment zarodka, który stałby się jego układem nerwowym, gdyby pozostał w pierwotnym położeniu) do innej lokalizacji w blastuli innego zarodka traszki, nie wydarzyło się nic nadzwyczajnego. Powstałe z zarodka zwierzę rozwijało się normalnie. Nie miało na przykład dodatkowej porcji tkanki mózgowej. Przeszczepione komórki po prostu przestawiły się lub zignorowały swoje wcześniejsze przeznaczenie i elegancko zintegrowały się w nowych lokalizacjach. Na tym etapie wciąż wydawały się totipotencjalne i elastyczne.

Przełom nastąpił na kolejnym etapie rozwoju, który zachodzi zaledwie dwie lub trzy godziny później, czyli w stadium gastruli. Ludzkie zarodki osiągają to stadium około trzeciego tygodnia ciąży, kiedy liczą już tysiące komórek. Stadium gastruli rozpoczyna się wtedy, kiedy komórki mezodermy zaczynają przemieszczać się do jamy w środku blastuli. Biologowie rozwojowi mówią, że zaczynają one „inwoluować”. Wyobraź sobie, że w lewej ręce trzymasz miękki balon, teraz wepchnij palce prawej ręki do balonu. Jako pierwsze inwolucji ulegają te komórki mezodermalne, które są położone najbardziej grzbietowo (ryc. 1.2). Są to komórki szarego półksiężyca. Kiedy Spemann przeszczepił niewielki fragment tej inwoluującej mezodermy grzbietowej na samym początku gastrulacji z zarodka traszki dawcy na brzuszną stronę embrionu gospodarza, stało się coś niezwykłego.

RYCINA 1.2. Przekrój poprzeczny zarodka płaza podczas gastrulacji i indukcji neuralnej. Wgłębiająca się mezoderma (kropkowana na szaro) przemieszcza się pod ektodermą grzbietową (ciemna), indukując ją do przekształcenia się w neuroektodermę, której zgrubienie widać jako neuroepitelium (nabłonek nerwowy).

Spemann był oszołomiony! Zwierzę gospodarz nie wyglądało normalnie, tak jak to było w przypadku transplantacji na etapie blastuli. Nie miało też dodatkowego kawałka mezodermy w niewłaściwym miejscu, jak można by podejrzewać w sytuacji, gdyby przeszczepiona tkanka uległa ograniczeniu. Spemann zobaczył, że u gospodarzy rozwinął się nowy kompletny drugi zarodek. Ten drugi zarodek często był połączony brzuchem do brzucha z zarodkiem gospodarzem, niczym zrośnięte przodem bliźnięta syjamskie!

To, co dzieje się podczas gastrulacji, ma absolutnie kluczowe znaczenie dla organizacji embrionu. Bez gastrulacji żaden żabi ani nawet ludzki zarodek nie miałby zbyt wiele ciała i w ogóle nie miałby mózgowia. Właśnie dlatego Lewis Wolpert, brytyjski biolog rozwojowy, o którym będzie mowa w następnym rozdziale, często powtarzał na swoich wykładach: „Tak naprawdę najważniejszym okresem w naszym życiu nie są wcale narodziny, małżeństwo czy śmierć, lecz gastrulacja”. Wyjaśnienie tego niesamowitego odkrycia w kategoriach komórek, tkanek i mechanizmów biologicznych stanowiło kolejne wyzwanie dla Spemanna. W grę wchodziły dwie podstawowe możliwości. Jedna z nich była taka, że przeszczepiony fragment mezodermy grzbietowej był nadal totipotencjalny, a uraz związany z przeszczepem w jakiś sposób pobudził te komórki do stworzenia nowego kompletnego zarodka. Druga możliwość była taka, że przeszczepiona tkanka w jakiś sposób zaindukowała sąsiednią tkankę gospodarza do utworzenia wokół niej nowego zarodka.

Spemann miał błyskotliwą doktorantkę, Hilde Proescholdt, która podjęła próbę zweryfikowania tych scenariuszy w ramach doktoratu. Było jasne, że jeśli przeszczepiona mezoderma grzbietowa sama rozwinie się w jedno z bliźniąt, wówczas ten bliźniak będzie się składał z komórek pochodzących od dawcy. Jeśli natomiast przeszczep w jakiś sposób zaindukuje otaczające go tkanki do utworzenia zarodka, wówczas ten drugi zarodek będzie się składać głównie z komórek pochodzących od gospodarza. Proescholdt postanowiła więc użyć zarodków dwóch gatunków traszek: o jasnej pigmentacji (które wykorzystała jako dawców) i ciemnej pigmentacji (które wykorzystała jako gospodarzy). Komórki jasnych zarodków można było rozpoznać pod mikroskopem na podstawie braku ziarenek pigmentu. Tak samo jak zrobił to wcześniej Spemann, przeszczepiła ten szczególny fragment mezodermy grzbietowej z jednej wczesnej gastruli na brzuszną stronę drugiej, z tą jedynie różnicą, że tym razem komórki dawcy były jasne, a komórki gospodarza ciemne.

Eksperymenty Proescholdt przyniosły natychmiastowe rozstrzygnięcie. Okazało się, że przeszczepione komórki miały jedynie niewielki udział w drugim zarodku (ryc. 1.3). Większość drugiego zarodka, w tym mózgowie i rdzeń kręgowy, została zbudowana z komórek gospodarza, a nie dawcy. Tym jednym eksperymentem Proescholdt udowodniła, że ten mały kawałek mezodermy grzbietowej, pobrany na początku gastrulacji, może indukować otaczającą go tkankę do wytworzenia kompletnego zarodka. Jak ujął to Spemann: „Eksperyment ten pokazuje zatem, że istnieje w zarodku pewien obszar, którego części po przeszczepieniu do dowolnej części innego zarodka organizują tam zawiązki wtórnego zarodka”. Spemann nazwał tę tkankę organizatorem. Odkrycie organizatora stanowi jedno z najbardziej fundamentalnych odkryć w całej biologii rozwoju.

RYCINA 1.3. Jeden z wyników eksperymentu Spemanna i Mangold z 1924 roku. Hilde Mangold (z domu Proescholdt) wykonała przekroje poprzeczne zarodków pigmentowanych traszek, którym przeszczepiono organizatory z zarodków niepigmentowanych dawców. Widać tutaj to, co często obserwowała Mangold: mezodermę od niepigmentowanego nad pochodzącą od gospodarza wtórną cewą nerwową.

Po napisaniu pracy doktorskiej na temat tych badań Proescholdt wyszła za mąż za Ottona Mangolda, a następnie razem z mężem i maleńkim dzieckiem przeprowadziła się do Berlina. Niestety wkrótce po zamieszkaniu w nowym domu doszło do wybuchu piecyka gazowego. Proescholdt uległa straszliwym poparzeniom i nie doczekała się publikacji swojej słynnej rozprawy w 1924 roku ani przyznania Hansowi Spemannowi Nagrody Nobla w 1935 roku za ich wspólne odkrycie organizatora.

Region organizatora w zarodku żaby przypomina to, co u ssaków nazywa się węzłem zarodkowym. Węzeł zarodkowy ssaków, podobnie jak organizator Spemanna, jest regionem mezodermy grzbietowej, który ulega inwolucji i indukuje leżącą nad nim ektodermę do tworzenia neuralnych komórek macierzystych. Węzeł zarodkowy lub region organizatora muszą działać w podobny sposób u wszystkich kręgowców, ponieważ węzeł zarodkowy z embrionu kury może pełnić funkcję organizatora, gdy zostanie przeszczepiony do embrionu żaby, a węzeł zarodkowy z embrionu myszy może zaindukować powstanie wtórnego embrionu kury. Podobne wyniki uzyskano w przypadku transplantacji z myszy do żaby, z kury do ryby, z ryby do żaby, z kury do myszy i z myszy do kury.

Induktor neuralny

Kiedy tylko Mangold (z domu Proescholdt) i Spemann opublikowali swoje odkrycia, biologowie natychmiast zapragnęli poznać mechanizm działania organizatora. Jak taki mały kawałek tkanki może zaaranżować wybudowanie wokół siebie kompletnego zarodka? W jaki sposób organizator komunikuje się z sąsiednimi komórkami i jakie polecenia im wydaje? Czy na przykład każe niektórym z nich wytworzyć mózgowie? Zagadnienia te stały się głównym przedmiotem badań laboratoriów wyspecjalizowanych w biologii rozwoju na całym świecie. Szybko odkryto, że tkanka organizatora nie musi wrosnąć i ulec inwolucji, aby indukować powstanie drugiego zarodka; można było ją po prostu wetknąć do pustego wnętrza blastuli, a i tak była w stanie indukować powstanie drugiego zarodka z okalającej ją tkanki gospodarza. Indukcja zachodziła nawet wtedy, gdy tkankę organizatora oddzielano od tkanki gospodarza papierowym filtrem, więc bezpośredni kontakt komórka–komórka nie był konieczny. W świetle tych eksperymentów wydawało się prawdopodobne, że organizator uwalnia jakieś dyfundujące cząsteczki sygnałowe. Wyniki badań nad międzygatunkową transplantacją węzłów zarodkowych wskazywały, że takie cząsteczki sygnałowe stanowią podstawowy i bardzo stary element mechanizmu, za sprawą którego kule komórek stają się zorganizowanymi zarodkami. Naukowcy byli więc żywo zainteresowani odkryciem natury tych magicznych molekuł.PRZYPISY

Dickinson, E. (1960). Part 1, Life number 126. W: T. H. Johnson (red.), The Complete Poems of Emily Dickinson. Boston: Little, Brown & Co.

Carroll, S. B. (2011). Endless Forms Most Beautiful: The New Science of Evo Devo and the Making of the Animal Kingdom. Londyn: Quercus.

„Mózgowie” to termin neuroanatomiczny stanowiący dokładny odpowiednik pojawiającego się w oryginale słowa brain – przyp. tłum.

Roux, W. (1888). Beiträge zur Entwickelungsmechanik des Embryo. Über die künstliche Hervorbringung halber Embryonen durch Zerstörung einer der beiden ersten Furchungskugeln, sowie über die Nachentwickelung (Postgeneration) der fehlenden Körperhälfte. Virchows Arch Pathol Anat Physiol Klin Med 114, 113–53. Angielski przekład w: B. Whittier, J. M. Oppenheimer (red.). (1974). Foundations of Experimental Embryology (s. 2–37). Nowy Jork: Hafner Press.

Driesch, H. (1891). Entwicklungsmechanische Studien: I. Der Werthe der beiden ersten Furchungszellen in der Echinogdermenentwicklung. Experimentelle Erzeugung von Theil- und Doppelbildungen. II. Über die Beziehungen des Lichtez zur ersten Etappe der thierischen Form-bildung. Zeitschrift für wissenschaftliche Zoologie 53, 160–84. Angielski przekład w: B. H. Willier, J. M. Oppenheimer (red.). (1974). The Potency of the First Two Cleavage Cells in Echinoderm Development. Experimental Production of Partial and Double Formations. W: Foundations of Experimental Embryology (s. 38–50). Nowy Jork: McMillan.

Spemann, H. (1903). Entwickelungsphysiologische Studien am Tritonei III. Arch f Entw Mech 16, 551–631. Spemann, H. (1938). Embryonic Development and Induction. New Haven, CT: Yale University Press.

Tarakowski, A. K. (1959). Experiments on the Development of Isolated Blastomeres of Mouse Eggs” Nature 184, 1286–87.

Kristan, Jr., W. B. (2016). Early Evolution of Neurons. Curr Biol 26, R949–R954. Arendt, D. (2021). Elementary Nervous Systems. Phil Trans R Soc Lond B Biol Sci 376: 20200347. Paulin, M. G., Cahill-Lane, J. (2021). Events in Early Nervous System Evolution. Top Cogn Sci 13, 25–44.

Suryanarayana, S. M., Robertson, B., Wallén, P., Grillner, S. (2017). The Lamprey Pallium Provides a Blueprint of the Mammalian Layered Cortex” Curr Biol 27, 3264–77.

Spemann, H. (1918). Über die Determination der ersten Organanlagen des Amphibienembryo I−IV. Arch f Entwicklungsmech d Organismen 43, 448–555.

Zob. Spemann, H., Mangold, H. (1924). Induction of Embryonic Primordia by Implantation of Organizers from a Diferent Species. Angielski przekład w: J Dev Biol 45, 13–38. (2001).

Spemann, H. (1935). Wykład noblowski. https://www.nobel-prize.org/prizes/medicine/1935/spemann/lecture/.