Bahagian Depan dan Belakang Otak Mungkin Bermula daripada Dua Keturunan Sel Berasingan

Selama beberapa dekad, gambaran lazim tentang perkembangan otak ialah satu populasi awal sel progenitor saraf berpecah secara beransur-ansur untuk membina semua kawasan utama otak. Namun, kajian yang dipimpin Stanford Medicine dan diterbitkan dalam Nature Neuroscience mencadangkan sesuatu yang berbeza: bahagian depan dan belakang otak mungkin bermula daripada populasi progenitor yang sudah berasingan sejak awal. 1

Perubahan utama: dua asal yang bergerak serentak

Penyelidik mengenal pasti dua populasi awal dalam ektoderma saraf — lapisan embrio yang membentuk sistem saraf — yang muncul secara selari:

• Sel yang mengekspresikan Otx2 membentuk wilayah saraf anterior, yang kemudiannya menghasilkan otak depan dan otak tengah.
• Sel yang mengekspresikan Gbx2 membentuk wilayah saraf posterior, yang kemudiannya menghasilkan otak belakang. 1

Maksud pentingnya bukan sekadar kedua-dua gen ini menandakan bahagian otak yang berlainan. Tafsiran kajian ialah kedua-dua populasi sel tersebut merupakan titik permulaan perkembangan yang berbeza, bukannya peringkat sementara dalam satu laluan umum yang boleh menghasilkan semua tisu otak. 1

Ini memberikan sudut pandang baharu terhadap sempadan antara otak tengah dan otak belakang. Sempadan ekspresi Otx2 dan Gbx2 memang lama diketahui penting dalam biologi perkembangan. Kajian baharu ini pula berhujah bahawa pemisahan itu mencerminkan perbezaan identiti progenitor yang jauh lebih awal dan lebih asas.

Peranan Otx2 dan Gbx2

Dalam program perkembangan awal yang dikaji, sel positif Otx2 dan sel positif Gbx2 saling eksklusif. Ringkasnya, setiap populasi mengikuti aturan gen yang berlainan:

• Program Otx2 menyokong identiti anterior dan pembentukan struktur otak depan serta otak tengah.
• Program Gbx2 menyokong identiti posterior dan pembentukan otak belakang. 1

Kajian itu turut melaporkan keadaan kromatin yang berbeza antara dua populasi ini. Kromatin ialah cara DNA dibungkus dalam sel; susunannya mempengaruhi gen mana yang mudah dicapai dan digunakan. Oleh itu, konfigurasi kromatin berlainan boleh membuka satu program perkembangan sambil mengehadkan program yang lain. Para penulis menafsirkan perbezaan ini sebagai petunjuk bahawa kedua-dua jenis sel sudah komited awal kepada nasib wilayah masing-masing. 1

Petunjuk evolusi, tetapi bukan dakwaan literal tentang dua otak

Pasukan itu melaporkan corak perkembangan yang sebanding pada tikus, ayam, ikan zebra, kera makak dan cacing akorn. Berdasarkan perbandingan luas ini, mereka mencadangkan bahawa otak vertebrata mungkin menggabungkan dua sistem saraf purba yang disatukan sepanjang evolusi. 1

Ini ialah tafsiran evolusi berdasarkan bukti perkembangan dan perbandingan antara spesies. Ia bukan bermaksud otak manusia dewasa terdiri daripada dua organ anatomi yang terpisah atau berfungsi secara bebas. Kesimpulan yang lebih tepat ialah bahagian anterior dan posterior otak mungkin mengekalkan sejarah perkembangan yang sangat berbeza.

Mengapa usaha menghasilkan neuron otak belakang sebelum ini sukar

Model dua keturunan sel ini menawarkan penjelasan munasabah bagi masalah dalam penyelidikan sel stem. Jika makmal bermula dengan progenitor yang telah memasuki laluan Otx2 — iaitu laluan ke arah otak depan atau otak tengah — usaha untuk menukarkannya menjadi sel otak belakang pada peringkat kemudian mungkin bercanggah dengan keadaan kawal sel yang sudah mantap.

Kajian baharu sebaliknya mengikuti laluan awal yang berkaitan dengan Gbx2. Stanford Medicine menyatakan pendekatan ini membolehkan penyelidik menghasilkan neuron otak belakang manusia dalam piring makmal, sekali gus menyediakan cara untuk mengkaji fungsi sel daripada bahagian posterior otak. 1

Hal ini penting kerana sel yang dibentuk melalui laluan perkembangan yang tepat lazimnya menjadi model makmal yang lebih setia berbanding sel yang hanya kelihatan menyerupai jenis sasaran. Model sedemikian boleh membantu penyelidik menilai kesan perubahan berkaitan penyakit pada neuron yang benar-benar relevan.

Potensi untuk kajian penyakit neuron motor

Neuron motor dalam otak belakang membantu mengawal fungsi kranial, termasuk otot bagi pergerakan muka, menelan dan pernafasan. Keupayaan menghasilkan sel ini daripada sel stem pluripoten manusia boleh menyokong kajian makmal bagi penyakit yang menjejaskan neuron tersebut, termasuk atrofi otot spina dan sklerosis lateral amiotrofik (ALS).

Peluang paling dekat ialah pemodelan penyakit dan ujian ubat secara eksperimen — bukannya rawatan yang sudah terbukti. Kajian ini membuka kemungkinan pendekatan regeneratif pada masa depan, tetapi belum menunjukkan pemindahan sel terapeutik atau penjanaan semula klinikal yang berkesan. 1

Kesimpulan praktikal

Kajian ini mengubah cara penyelidik boleh memikirkan kejuruteraan sel otak. Soalannya mungkin bukan lagi bagaimana hendak menolak satu prekursor saraf umum supaya menjadi mana-mana bahagian otak. Sebaliknya, mereka mungkin perlu bermula dengan keturunan sel awal yang tepat sejak awal.

Bagi kajian otak belakang, itu bermaksud membina sel melalui laluan perkembangan yang berkaitan dengan Gbx2. Jika model ini disokong oleh kajian susulan, neuron otak belakang yang ditumbuhkan di makmal boleh menjadi alat yang lebih tepat untuk memahami penyakit dan menguji intervensi baharu. 1