საუკუნეებია, რაც ტვინი ერთიან ორგანოდ მიიჩნევა. თუმცა, სტენფორდში ჩატარებული ახალი კვლევა აჩვენებს, რომ ის, რასაც ტვინს ვუწოდებთ, განვითარების თვალსაზრისით, ორ განსხვავებული ორგანოდ შეგვიძლია მივიჩნიოთ.

ათწლეულების განმავლობაში მკვლევრები იზიარებდნენ თეორიას, რომლის მიხედვითაც, ემბრიონის განვითარების ადრეულ ეტაპზე არსებობდა წინამორბედი (პროგენიტორი) უჯრედების საერთო პოპულაცია, საიდანაც მთელი ტვინი ვითარდებოდა. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ეს მოდელი ვარაუდობდა, რომ ტვინის ყველა ნაწილს საერთო უჯრედული წარმოშობა ჰქონდა.

სტენფორდში ჩატარებული კვლევა კი მიუთითებს, რომ თავის ტვინის სხვადასხვა ნაწილს ემბრიონული განვითარების ადრეული ეტაპიდანვე განსხვავებული უჯრედული საწყისები აქვს: წინა და შუა ტვინი წინამორბედი უჯრედების ერთი პოპულაციიდან ყალიბდება, უკანა ტვინი კი — მეორიდან. ავტორების თქმით, ეს თავის ტვინს კომპოზიტურ ორგანოდ აქცევს. კვლევა ჟურნალ Nature Neuroscience-ში, 18 სექტემბერს გამოქვეყნდა.

ავტორების ინტერპრეტაციით, მიგნება ტვინის ევოლუციურ ისტორიასაც უკავშირდება: თანამედროვე ტვინის ჩამოყალიბებაში შესაძლოა ორი უძველესი ნერვული სისტემის გაერთიანებას შეეტანა წვლილი.

ეს აღმოჩენა შეიძლება დაგვეხმაროს იმის ახსნაში, თუ რატომ უჭირდათ მეცნიერებს ათწლეულების განმავლობაში ლაბორატორიაში ტვინის გარკვეული ტიპის უჯრედების შექმნა; ის ახალ გზებს ხსნის ტვინის ღეროსთან და უკანა ტვინთან დაკავშირებული ისეთი მძიმე დაავადებების შესასწავლად, როგორიცაა სპინალური კუნთოვანი ატროფია (ასევე ცნობილი როგორც SMA) და ამიოტროფული ლატერალური სკლეროზი (ასევე ცნობილი როგორც ALS).

"ჩვენ პირველად ვაჩვენეთ, რომ ტვინის წინა ნაწილი სრულიად განსხვავებული წინამორბედი უჯრედისგან წარმოიქმნება, ვიდრე ტვინის უკანა ნაწილი. ჩვენი აღმოჩენა ნიშნავს, რომ ახლა უკვე შეგვიძლია პეტრის ჯამში ტვინის უკანა ნაწილის ნეირონები გავზარდოთ და მათი ფუნქციები შევისწავლოთ", — განაცხადა განვითარების ბიოლოგიის ასოცირებულმა პროფესორმა და კვლევის მთავარმა ავტორმა, დოქტორმა კაილ ლომ.

ტვინის ნაწილები და მათი განსხვავებული განვითარების გზები

ზრდასრული ადამიანის ტვინს სამი მთავარი რეგიონი აქვს: წინა ტვინი, შუა ტვინი და უკანა ტვინი. წინა ტვინის სტრუქტურები მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ენობრივ პროცესებში, ცნობიერებასა და აბსტრაქტულ აზროვნებაში, უკანა ტვინის სტრუქტურები მონაწილეობს სუნთქვის, ძილის, გულისცემისა და შიმშილის შეგრძნების რეგულაციაში.

უკანა ტვინის კრიტიკული მნიშვნელობის მიუხედავად, მეცნიერებს ათწლეულების განმავლობაში უჭირდათ ლაბორატორიაში ადამიანის უკანა ტვინის ნეირონების მიღება. ამ დაბრკოლებამ შეაფერხა ტვინის ღეროსთან დაკავშირებული ისეთი მძიმე დაავადებების კვლევა, როგორიცაა სპინალური კუნთოვანი ატროფია და ამიოტროფული ლატერალური სკლეროზი.

SMA 1 წლამდე ასაკის ბავშვებში სიკვდილიანობის ერთ-ერთი წამყვანი გენეტიკური მიზეზია. ALS, რომლის დიაგნოზიც ხშირად 40-დან 70 წლამდე ასაკში ისმება, აზიანებს თავისა და ზურგის ტვინის მოტორულ ნეირონებს. ამ დაავადებებმა შეიძლება გამოიწვიოს ყლაპვისა და სუნთქვის გაძნელება. ყლაპვის დარღვევა ზრდის საკვების ან სითხის სასუნთქ გზებში მოხვედრისა და ასპირაციული პნევმონიის რისკს.

როგორ გამოავლინეს ტვინის განვითარების ორი გზა

მკვლევრებმა ამ აქამდე უცნობ განსხვავებას თაგვის ემბრიონის განვითარების ყველაზე ადრეული მომენტების შესწავლისას მიაგნეს. ისინი აკვირდებოდნენ ეტაპს, რომელსაც გასტრულაცია ეწოდება. ამ დროს სხეული პირველად იღებს ფორმას. დაკვირვებისას კვლევის თანაავტორებმა, კეროლინ დანდესმა და რაიან ჯოხაიმ, აღმოაჩინეს, რომ უკანა ტვინი განვითარების ცალკეულ გზას მიჰყვება, რომელიც წინა და შუა ტვინის წარმომქმნელი გზის პარალელურად მიმდინარეობს. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, წინა და შუა ტვინი ერთი და იმავე უჯრედებისგან წარმოიქმნება და ერთ განვითარების გზას გადის, ამისგან განსხვავებით უკანა ტვინი ცალკეული, სხვა უჯრედისგან იღებს სათავეს და ტვინის შემადგენელი სხვა ნაწილებისგან დამოუკიდებლად ვითარდება.

მკვლევრებმა წინამორბედი უჯრედების ორი განსხვავებული პოპულაცია გამოავლინეს. ერთში Otx2 გენი იყო აქტიური და მისგან წინა და შუა ტვინი ვითარდებოდა; მეორეში კი Gbx2 გენი იყო აქტიური და მისგან უკანა ტვინი ყალიბდებოდა. დაკვირვებამ აჩვენა, რომ შესწავლილ ეტაპებზე ამ პოპულაციებს განვითარების განსხვავებული მიმართულებები ჰქონდათ.

შემდეგ გუნდმა შეისწავლა ქრომატინის — დნმ-ისა და მასთან დაკავშირებული ცილების კომპლექსის — ორგანიზაცია. ის გავლენას ახდენს იმაზე, რამდენად ხელმისაწვდომია გენები მათი აქტივობის მარეგულირებელი მექანიზმებისთვის. ტვინის წინამორბედი უჯრედების ამ ორ პოპულაციაში ქრომატინის ორგანიზაცია განსხვავდებოდა, რაც მათი შემდგომი განვითარების განსხვავებულ მიმართულებებს შეესაბამებოდა.

ეს მიგნება შესაძლოა ხსნიდეს, რატომ იყო წინა და შუა ტვინის წინამორბედი უჯრედებიდან უკანა ტვინის გარკვეული ტიპის ნეირონების მიღება რთული.

"[ლაბორატორიებში] უკანა ტვინის ნეირონების შექმნის წინა მცდელობებისას, სავარაუდოდ, ცდილობდნენ წინა და შუა ტვინის წინამორბედების უკანა ტვინის უჯრედებად გარდაქმნას, რაც, როგორც ჩვენი კვლევა აჩვენებს, შეუძლებელია", — განაცხადა ჯოხაიმ.

"ღეროვანი უჯრედების ბიოლოგიაში მკვლევრები ყოველთვის ფოკუსირებულნი არიან სასურველი ტიპის უჯრედის მიღებაზე, როგორიცაა ნეირონი, თუმცა მნიშვნელოვანია ემბრიონის განვითარების ყველაზე ადრეული ეტაპების გათვალისწინება. იმან, რომ ამ ადრეულ ეტაპზე ყურადღება გავამახვილეთ, საშუალება მოგვცა, რომ ტვინის განვითარებაში ეს ფუნდამენტური დაყოფა გვეპოვა", — აღნიშნავს კვლევის თანაავტორი, რაიან ჯოხაი.

კვლევის ევოლუციური ინტერპრეტაცია და რეალური გავლენა

ახალი კვლევის შედეგები უკვე ხელშესახებია. ამ მიგნებაზე დაყრდნობით, მკვლევრებმა ადამიანის პლურიპოტენტური ღეროვანი უჯრედებიდან უკანა ტვინის კონკრეტული სეგმენტებისთვის დამახასიათებელი მოტორული ნეირონები მიიღეს, რომელთა ლაბორატორიულად მიღებაც მანამდე რთული იყო.

ლაბორატორიაში გაზრდილმა ამ ნეირონებმა უკანა ტვინის ავთენტური უჯრედებისთვის დამახასიათებელი ნიშნები გამოავლინეს: მათში დაფიქსირდა ელექტრული იმპულსები — მოქმედების პოტენციალები და მათ გამოიმუშავეს ცილები, რომლებიც ახასიათებს უკანა ტვინის იმ სეგმენტებს, რომლებიც სახისა და ყლაპვის კუნთებს აკონტროლებს.

ბოლოს, მკვლევრებმა ქათმების, ზებრათევზებისა და რკოსებრი ჭიების მონაცემებშიც გამოავლინეს განვითარების მსგავსი დაყოფის ნიშნები. ავტორების ვარაუდით, ეს მექანიზმი შესაძლოა, დაახლოებით, 550 მილიონი წლის განმავლობაში იყოს ევოლუციურად შენარჩუნებული.

"ჩვენი კვლევა გვთავაზობს შემდეგ ახსნას — ევოლუციამ აიღო ორი არსებული ნერვული სისტემა და ისინი სივრცობრივად დააკავშირა ერთმანეთთან. ტვინის ერთ ორგანოდ ქონა ალბათ უფრო ეფექტიანი იქნებოდა, მაგრამ ჩვენ ვეყრდნობით ტვინის ორ ცალკეულ ნაწილად შექმნის ამ თავდაპირველ გზას", – აღნიშნა კაილ ლომ.

"გაოცებული ვიყავი ჩვენი მიგნებებით, რადგან სიტყვა "ტვინი" გულისხმობს ერთიან ორგანოს, რომელსაც, სავარაუდოდ, საერთო საწყისი აქვს. მაგრამ ჯერ კიდევ 500 მილიონი წლის წინ არსებობდა ეს ცალკეული ნერვული სისტემები, რომლებიც ახლა თითქმის ერთ მთლიანობად ფუნქციონირებს, რაც ძალიან საინტერესოა", — განაცხადა რაიან ჯოხაიმ.

როგორც უკვე აღვნიშნეთ, ამ კვლევას დიდი მნიშვნელობა აქვს SMA-ს, ALS-ისა და ტვინის ღეროს დამაზიანებელი სხვა მდგომარეობების შესწავლის კუთხით. პეტრის ჯამში ამ ნეირონების გაზრდის შესაძლებლობა ახალ გზას ხსნის იმის გასაგებად, რა ხდება ტვინის ამ ნაწილში კონკრეტული დაავადებების მიმდინარეობისას. არსებობს მოულოდნელი კავშირი სიმსუქნის მკურნალობის კუთხითაც: უკანა ტვინი შიმშილისა და დანაყრების რეგულაციაშიც მონაწილეობს.

"ახლა გვაქვს მოდელი ამ დამანგრეველი დაავადებების უკეთ გასაგებად და მათთვის რეგენერაციული თერაპიების შესამუშავებლად. ეს ტვინის კვლევაში ძალიან საინტერესო ახალი მიჯნაა", — ამბობს რაიან ჯოხაი.

მკვლევრებს სურთ განავრცონ თავიანთი კვლევები ზურგის ტვინის უჯრედული წარმოშობის დასადგენად და იმის ზუსტად გასაგებად, თუ როგორ აზიანებს SMA და ALS უკანა ტვინის ნეირონების ფუნქციას.