最初から2つの経路

スタンフォード大学医学部が主導するチームは、人の脳が共通の単一集団ではなく、2つの異なる前駆細胞群から発生することを見いだした。脳形成の初期段階についての長年のモデルを変える結果である。研究成果は9月18日、Nature Neuroscienceに発表された。

研究者らは、体の形が作られ始める胚の初期段階である原腸形成まで、その分岐をさかのぼった。マウス胚では、一方の前駆細胞群がOtx2遺伝子を発現し、その後に前脳と中脳を形成した。もう一方はGbx2を発現し、後脳を生み出した。2群は重なっておらず、調べた最初期の段階から経路が並行して進むことを示している。

チームは、細胞がどの遺伝子にアクセスできるかを決めるのを助ける、遺伝物質の包装構造であるクロマチンも調べた。脳の前部と後部になる細胞は、根本的に異なるクロマチン配置を持っていた。この違いは、前脳や中脳の前駆細胞を後脳の神経細胞へ変える従来の試みが難しかった理由の説明になる。出発点の細胞は既に別の発生経路へ進む運命が定まっていたためだ。

細胞研究にとっての実用的な成果

科学者らはこの発生上の違いを利用し、実験室でヒト多能性幹細胞を機能する後脳の運動ニューロンへ誘導した。得られた細胞は電気的な活動電位を発生し、顔や嚥下に使う筋肉を制御する領域に関連するタンパク質を作った。

この能力は、脳幹に関わる疾患の研究を広げる可能性がある。後脳の神経細胞は呼吸、睡眠、心拍、空腹感などの自動的な機能を調整し、発話や嚥下に使う筋肉も制御する。患者から生きた脳幹組織を採取することはできないため、脊髄性筋萎縮症や筋萎縮性側索硬化症などでは、実験室モデルが特に重要になる。どちらの疾患も、嚥下や呼吸に関わる神経細胞を損なうことがある。

この結果は、大人に独立して働く2つの脳があるという意味ではない。一般に脳と呼ばれる連続した構造へ結び付いた、古くからの2つの発生起源を説明している。前脳は言語、意識、抽象的推論などの機能を支え、後脳は生命に欠かせない多くの自動的な過程を担う。

進化に見られるパターン

研究者らは種をまたいで発生パターンを比較し、ニワトリ、ゼブラフィッシュ、ギボシムシにも同じ2起源の構成があると報告した。人類につながる系統から数億年前に分岐したクラゲも、体の両端に別々の神経系を持つ。チームはこの証拠を、進化が2つの古い神経系を空間的に接合したことを示唆すると解釈している。

発生生物学准教授で責任著者のカイル・ローが研究を率い、大学院生のキャロリン・ダンデスとレイヤン・ジョカイが共同筆頭著者を務めた。今回の直接的な貢献は、概念面と実験面の両方にある。脳の始まりについての説明を改めるとともに、これまでとりわけ研究が難しかった種類の神経細胞を作る方法を示した。