人間の脳は2つの別々の器官であるとスタンフォード・メディシン主導の研究が発見

何世紀にもわたり、科学者たちは脳を単一で統一された器官と考えてきました。しかし、スタンフォード・メディシンが主導した新しい研究により、私たちが脳と呼んでいるものは、数億年かけて独立に進化した2つの異なる器官であることが明らかになりました。この発見は、脳の発達に関する有力なモデルを覆すものです。 何十年もの間、研究者たちは、発達の初期段階に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を支持してきました。このモデルでは、脳のすべての部分が共通の発達起源を共有していると示唆されていました。新しい研究結果は、人間の脳が巧妙にパッケージ化された2つの古代神経系の集合体であることを示しています。1つは心臓の鼓動や呼吸などの機能を調節するより原始的な部分であり、もう1つは詩や数学、そして自身の起源について思いを巡らせる能力を持つ、人間特有の部分です。 この発見は、科学者たちが長年、特定の種類の脳細胞を実験室で培養するのに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）や筋萎縮性側索硬化症（ALSまたはルー・ゲーリッグ病）のような脳幹に影響を与える壊滅的な疾患の研究に新たな道を開きます。 「私たちは、脳の前部が脳の後部とは全く異なる前駆細胞から生じることを初めて示しました」と、発生生物学の准教授であるカイル・ロー博士は述べています。「私たちの発見は、脳の後部、すなわち後脳のニューロンをペトリ皿で培養し、その機能を研究できるようになったことを意味します。」この研究結果は、9月18日にNature Neuroscienceに掲載されました。ローがシニアオーサーを務め、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です。 2つの脳 成人の脳には、前脳、中脳、後脳の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。対照的に、頭蓋骨の後ろに位置し、しばしば脳幹と呼ばれる後脳は、呼吸、睡眠、心拍や空腹感の調節など、私たちを生かし続ける基本的な自動機能を制御します。後脳のニューロンは、顔、舌、喉の筋肉も制御しており、これらは話すことや飲み込むことに影響を与えます。 後脳の極めて重要な重要性にもかかわらず、科学者たちは長年、実験室でヒトの後脳ニューロンを生成するのに苦労してきました。このギャップは、脊髄性筋萎縮症や筋萎縮性側索硬化症を含む、脳幹に影響を与える壊滅的な疾患の研究を妨げてきました。SMAは、1歳未満の子供たちの死因の主要な遺伝的原因です。ALSは、しばしば40歳から70歳の間で診断され、前脳と後脳の両方に影響を与えます。これらの疾患の両方において、特定の後脳ニューロンは徐々に機能しなくなり、患者は嚥下能力を失い、食物や液体が肺に吸い込まれたときに肺炎を引き起こす可能性があります。最終的に、患者は呼吸能力を失います。 研究者たちのブレークスルーは、胚発生の最も初期の瞬間、体が最初に形作られる時期である器官形成期（gastrulation）の研究から生まれました。ジョカイとダンデスは、後脳が前脳と中脳を生成する経路から分岐するのではなく、それに並行して走る別の発生経路をたどることを発見しました。 研究者たちは、発生中のマウス胚を調べることからこれを学びました。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という遺伝子を発現し、前脳と中脳になる運命にあります。もう1つはGbx2という遺伝子を発現し、後脳を形成することにコミットしています。彼らは、これらの2つの細胞集団が決して重複せず、発達の最も初期段階から互いに排他的であることを示しました。 その後、チームはこれらの細胞のDNAパッケージング、つまりクロマチンを調べました。クロマチンは、細胞がどの遺伝子に容易にアクセスでき、どの遺伝子が手の届かないところに束ねられているかを決定する方法です。彼らが発見したことは驚くべきものでした。前方の神経外胚葉（将来の前脳と中脳）と後方の神経外胚葉（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した。これらの違いは、本質的に各前駆細胞をそれぞれの運命に固定しており、交差することのない平行軌道上の旅行者のようでした。 「後脳ニューロンを作ろうとする以前の試みは、おそらく前脳と中脳の前駆細胞を後脳細胞に誘導しようとしていたのでしょうが、私たちの研究はそれが不可能であることを示しています」とジョカイは述べています。この啓示は、この分野における何十年ものフラストレーションを説明しました。科学者たちは、根本的に変化できない種類の前駆細胞を別の種類に変えようとしていたのです。 「幹細胞生物学では、人々は常にニューロンのような最終的な細胞タイプを作成することに固執しています」とジョカイは言います。「しかし、胚発生の最も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を払ったことで、脳発達におけるこの根本的な分裂を見つけることができました。」 後脳ニューロンの培養 この知識を得て、研究者たちは初めて、ヒト多能性幹細胞（ヒトの体のあらゆる細胞を作り出すことができる細胞の一種）を実験室で機能的な後脳運動ニューロンに誘導することに成功しました。これらの実験室で培養されたニューロンは、本物の後脳細胞のすべての特徴を示しました。それらは活動電位と呼ばれる電気活動の波を示し、顔や嚥下筋を制御する後脳のセグメントを識別するタンパク質を生成しました。 最後に、研究者たちは5億5000万年以上にわたる進化の時間を遡りました。彼らは、ニワトリ、ゼブラフィッシュ、そして驚くべきことに、人間の遠い共通祖先を共有する海底に住む小さな生き物であるアカムシで、同じ2つの起源を持つ脳パターンを発見しました。人間から約6億年から7億年前に分岐したクラゲは、体の異なる端に2つの神経系を持っています。 「私たちの研究は、進化が2つの既存の神経系を取り込み、それらを空間的に押し付けたことを示唆しています」とローは述べています。「脳を1つの器官として持つことは、おそらくより効率的でしょうが、私たちはこの原始的な方法に依存して脳を2つの別々の部分として作っています。」 「私の発見は驚くべきものでした。なぜなら、『脳』という言葉は、単一の起源を持つ可能性のある連続した器官を意味するからです」とジョカイは言います。「しかし、5億年前でさえ、これらの別々の神経系が存在し、今ではほぼ1つとして機能しているというのは、非常にクールです。」 この研究は、SMA、ALS、その他の脳幹に影響を与える状態の治療法を調査する上でも示唆に富んでいます。これまで、科学者は生きた患者から脳幹組織を入手できないため、これらの疾患の研究はほぼ不可能でした。皿の中でこれらのニューロンを培養する能力は、何がうまくいかなくなるのかを理解するための新しい可能性を開きます。 予期せぬことに、肥満治療との関連もあります。後脳には食欲を調節する回路が含まれており、これはまさに減量薬であるセマグルチドなどが機能する仕組みです。 研究者たちは、脊髄の発達上の起源を決定し、SMAやALSが後脳ニューロンの機能をどのように正確に損なうかを学ぶために、研究を拡張したいと考えています。「今、私たちはこれらの壊滅的な疾患をよりよく理解するためのモデルを持ち、それらのための再生療法に向けて取り組むことができます」とジョカイは述べています。「これは脳研究における非常にエキサイティングな新しいフロンティアです。」 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ました。この研究は、国立衛生研究所（助成金DP5OD024558、DP2GM146258、R00GM121852、R01DK115728、R01DE027538、T32GM119995、T32GM007365、T32GM007790、F31DE031154）、国立科学財団、カリフォルニア再生医療研究所、脊髄性筋萎縮症財団、スタンフォード母子健康研究機構の助成金、スタンフォード・ベックマン＆ルートヴィヒセンター、シーベル幹細胞研究所、スティンハート・リード財団の助成金、ギャツビー慈善財団、ハワード・ヒューズ医学研究所からの支援を受けました。