Человеческий мозг начинает формироваться задолго до рождения, и этот процесс зависит не только от генетической программы.

Новые исследования Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе показали, что на ранних этапах развития важную роль могут играть два совершенно разных фактора: то, как клетки перерабатывают питательные вещества, и непосредственный контакт с клетками других отделов мозга.

<h3>Глюкоза влияет на судьбу клеток</h3>

В первой работе учёные составили подробную карту обмена веществ в развивающейся коре человеческого мозга. Для этого использовали донорскую ткань и мозговые органоиды — выращенные из стволовых клеток трёхмерные модели, которые воспроизводят отдельные особенности развития нервной системы.

Исследователи обнаружили, что клетки радиальной глии активно используют пентозофосфатный путь — один из способов переработки глюкозы. Он помогает быстро делящимся клеткам получать вещества, необходимые для роста и дальнейшего развития.

Когда учёные уменьшали доступность глюкозы или нарушали работу этого метаболического пути, поведение стволовых клеток менялось. Радиальная глия начинала производить больше тормозных нейронов и других типов клеток, которые обычно появляются на более поздних этапах развития.

Этот результат показал, что обмен веществ — не просто фоновый процесс, обеспечивающий клетки энергией. То, как именно клетка перерабатывает питательные вещества, может влиять на её дальнейшую специализацию.

<h3>Сигналы приходят из таламуса</h3>

Во втором исследовании учёные сосредоточились на таламусе — глубоком отделе мозга, который участвует в передаче сенсорной информации и взаимодействует с корой.

Ранее было известно, что нейроны таламуса отправляют длинные отростки в сторону коры. Однако у человека они достигают развивающейся коры очень рано — ещё до того, как формируются зрелые связи между нейронами.

Используя так называемые ассемблоиды — лабораторные модели, объединяющие органоиды разных отделов мозга, — исследователи обнаружили, что отростки таламических нейронов напрямую соприкасаются с клетками радиальной глии.

Этот контакт менял дальнейшее развитие стволовых клеток: они начинали производить больше возбуждающих нейронов, особенно тех, которые располагаются в верхних слоях коры. Именно такие нейроны особенно многочисленны в человеческом мозге и играют важную роль в работе коры.

<h3>Почему исследователей заинтересовал ген NRXN1</h3>

Отдельную часть работы посвятили гену NRXN1, который участвует в формировании связей между нервными клетками и ранее ассоциировался с расстройствами аутистического спектра. Учёные создали ассемблоиды из клеток пациентов с мутацией NRXN1 и заметили, что сигналы от таламуса в таких моделях действовали иначе.

Менялся баланс между клетками, которые сохраняли свойства стволовых, и теми, которые уже превращались в нейроны.

Это даёт исследователям возможность изучать в лаборатории, как нарушения на самых ранних этапах развития могут отражаться на формировании коры головного мозга.

При этом подобные результаты нельзя напрямую переносить на человека как объяснение конкретных заболеваний. Органоиды и ассемблоиды моделируют лишь отдельные механизмы и не воспроизводят работу мозга целиком.

<h3>Развитие мозга — это постоянный обмен сигналами</h3>

Вместе две работы показывают, что развитие мозга нельзя представить как полностью заранее запрограммированный процесс.

Стволовые клетки постоянно реагируют на окружающую среду. Один сигнал связан с обменом веществ, другой — с непосредственным контактом с клетками соседних структур мозга. Оба механизма способны влиять на то, какие нейроны образуются и в какой момент это происходит.

Такой взгляд меняет представление о раннем развитии нервной системы. Окружение клетки — доступные питательные вещества, соседние структуры и сигналы от них — становится активной частью процесса, а не просто фоном.

<h3>Зачем учёным нужны органоиды</h3>

Подобные открытия стали возможны благодаря развитию технологий органоидов.

Обычный органоид моделирует отдельный участок мозга, а ассемблоид объединяет несколько таких моделей и позволяет наблюдать, как разные зоны взаимодействуют между собой.

Это особенно важно при изучении человеческого мозга, поскольку некоторые этапы его развития заметно отличаются от процессов, наблюдаемых у лабораторных животных.

В таких моделях можно менять отдельные условия — например, количество глюкозы, работу конкретного гена или контакт между разными отделами — и смотреть, как это отражается на поведении клеток.

<h3>Что это может дать в будущем</h3>

Пока обе работы относятся прежде всего к фундаментальной науке, а не к готовым медицинским методам. Однако понимание того, как радиальная глия реагирует на питание и сигналы соседних клеток, может помочь лучше изучить нормальное развитие мозга и причины некоторых неврологических нарушений. Исследователи также рассматривают эти механизмы в контексте опухолей мозга. Клетки, напоминающие радиальную глию, могут вновь появляться при глиобластоме, поэтому изучение их поведения важно не только для эмбрионального развития, но и для онкологии.

Главный вывод новых работ заключается в том, что формирование человеческого мозга — это результат постоянного взаимодействия клеток с окружающей средой.

На судьбу будущих нейронов могут влиять и обмен веществ, и физический контакт между разными структурами мозга. Именно такие детали постепенно помогают понять, как из сравнительно небольшого числа стволовых клеток формируется одна из самых сложных систем человеческого организма.