שני איברים בתוך הראש: התגלית שמערערת את כל מה שידענו על המוח

המחקר החדש מצביע על פיצול בסיסי הרבה יותר: קדמת המוח, שממנה מתפתחים האזורים האחראים בין היתר על שפה, תודעה וחשיבה מופשטת, נוצרת מתא אב אחד; ואילו החלק האחורי של המוח, הכולל את גזע המוח ומערכות החיוניות לנשימה, לקצב הלב, לשינה ולוויסות רעב, נוצר מתא אב אחר לחלוטין.

שני מסלולים שלא נפגשים

למוח הבוגר שלושה אזורים עיקריים: המוח הקדמי, המוח האמצעי והמוח האחורי. המוח הקדמי אחראי על תפקודים קוגניטיביים מתקדמים, ובהם שפה, תודעה וחשיבה מופשטת. המוח האחורי, הנמצא בחלק האחורי של הגולגולת וכולל את גזע המוח, אחראי על תפקודים אוטומטיים וחיוניים כמו נשימה, שינה, ויסות קצב הלב ותחושת הרעב.

נוירונים במוח האחורי שולטים גם בשרירי הפנים, הלשון והגרון - ולכן ממלאים תפקיד מרכזי בדיבור ובבליעה.

למרות חשיבותו, מדענים התקשו במשך שנים לייצר במעבדה נוירונים אנושיים שמקורם במוח האחורי. הקושי הזה פגע ביכולת לחקור מחלות קשות שפוגעות בגזע המוח, ובהן ניוון שרירים שדרתי (SMA) וטרשת אמיוטרופית צידית (ALS), המוכרת גם כמחלת לו גריג.

SMA היא אחת הסיבות הגנטיות המרכזיות לתמותה בקרב תינוקות מתחת לגיל שנה. ALS מאובחנת לרוב בגילים 40 עד 70 ופוגעת הן במוח הקדמי והן במוח האחורי. בשתי המחלות נוירונים מסוימים במוח האחורי מאבדים בהדרגה את תפקודם, ובשלבים מתקדמים החולים עלולים לאבד את היכולת לבלוע ובהמשך גם לנשום.

הפיצול מתחיל כבר בשלב העוברי המוקדם

פריצת הדרך הגיעה כאשר החוקרים בחנו את השלבים הראשונים ביותר של ההתפתחות העוברית, במהלך שלב המכונה גסטרולציה - התקופה שבה הגוף מתחיל לקבל את צורתו הבסיסית.

בבדיקות של עוברי עכברים זיהו החוקרים שני סוגים שונים של תאי אב עצביים. סוג אחד מבטא את הגן Otx2 ומיועד להפוך למוח הקדמי ולמוח האמצעי. הסוג השני מבטא את הגן Gbx2 ומיועד ליצור את המוח האחורי.

לדברי החוקרים, שתי אוכלוסיות התאים הללו אינן חופפות כלל - הן נפרדות זו מזו כבר מהשלבים המוקדמים ביותר של ההתפתחות.

לאחר מכן בחן הצוות את מבנה הכרומטין - האופן שבו ה-DNA נארז בתוך התא, ובכך קובע אילו גנים יהיו זמינים להפעלה ואילו יישארו "סגורים". החוקרים מצאו הבדלים עמוקים בין תאי האב של קדמת המוח לבין אלה של חלקו האחורי.

ההבדלים הללו, לדבריהם, למעשה "נועלים" כל תא אב למסלול ההתפתחות שלו, בדומה לשני מסלולי רכבת מקבילים שאינם נפגשים.

"ניסיונות קודמים לייצר נוירונים של המוח האחורי כנראה ניסו לדחוף תאי אב של המוח הקדמי והאמצעי להפוך לתאי המוח האחורי - והמחקר שלנו מראה שזה פשוט לא אפשרי", הסביר ג'וכאי.

לדבריו, זו עשויה להיות הסיבה לכך שמדענים נאבקו במשך עשרות שנים לגדל את התאים הללו במעבדה.

לראשונה: נוירונים של המוח האחורי גודלו במעבדה

לאחר שהבינו את מסלול ההתפתחות הנפרד, הצליחו החוקרים לראשונה לגרום לתאי גזע פלוריפוטנטיים אנושיים - תאים שיכולים להפוך כמעט לכל סוג תא בגוף - להתפתח לנוירונים מוטוריים תפקודיים של המוח האחורי.

הנוירונים שגודלו במעבדה הציגו מאפיינים האופייניים לתאים אמיתיים מאזור זה: הם יצרו גלי פעילות חשמלית, המכונים פוטנציאלי פעולה, והפיקו חלבונים המאפיינים אזורים במוח האחורי השולטים בשרירי הפנים והבליעה.

היכולת לגדל תאים כאלה עשויה לפתוח אפשרויות חדשות לחקר SMA, ALS ומחלות נוספות שפוגעות בגזע המוח. עד כה היה קשה במיוחד לחקור אותן, בין היתר משום שלא ניתן לקחת רקמה מגזע המוח של מטופלים חיים לצורכי מחקר.

השורשים מגיעים מאות מיליוני שנים לאחור

החוקרים לא הסתפקו בהתפתחות העוברית ובחנו גם את ההיסטוריה האבולוציונית של המערכת העצבית לאורך יותר מחצי מיליארד שנה.

לדבריהם, אותו דפוס של שני מקורות עצביים נפרדים נמצא גם בתרנגולות, בדגי זברה ואפילו בתולעי בלוט זעירות החיות בקרקעית הים וחולקות עם בני האדם אב קדמון רחוק.

גם אצל מדוזות, שנפרדו מהשושלת האבולוציונית שהובילה לבני האדם לפני כ-600 עד 700 מיליון שנה, קיימות שתי מערכות עצבים הממוקמות בקצוות שונים של הגוף.

"המחקר שלנו מצביע על כך שהאבולוציה לקחה שתי מערכות עצביות קיימות ודחפה אותן זו לעבר זו מבחינה מרחבית", אמר לו. "ייתכן שמוח שהוא איבר יחיד היה יעיל יותר, אבל אנחנו עדיין נשענים על הדרך הקדומה הזאת לבנות את המוח כשני חלקים נפרדים".

ג'וכאי הוסיף כי הממצא הפתיע אותו במיוחד, משום שהמילה "מוח" עצמה מרמזת על איבר רציף שמקורו אחד. "אבל כבר לפני 500 מיליון שנה היו מערכות עצביות נפרדות, שכיום פועלות כמעט כאילו הן מערכת אחת", אמר.

גם קשר מפתיע לתרופות הרזיה

לממצאים עשויות להיות השלכות רפואיות גם מעבר למחלות עצביות. המוח האחורי מכיל מעגלים עצביים שמווסתים רעב - אותם מנגנונים שמעורבים גם בפעולתן של תרופות לירידה במשקל המבוססות על סמגלוטייד.

החוקרים מתכננים כעת להרחיב את המחקר ולבדוק גם את המקור ההתפתחותי של חוט השדרה, וכן להבין באופן מדויק יותר כיצד SMA ו-ALS פוגעות בתפקודם של נוירונים במוח האחורי.

"עכשיו יש לנו מודל שמאפשר להבין טוב יותר את המחלות הקשות האלה, וגם להתחיל לחשוב על טיפולים משקמים", אמר ג'וכאי. "זו חזית חדשה ומלהיבה מאוד בחקר המוח".

במחקר השתתפו גם חוקרים מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה ומאוניברסיטת קליפורניה בסן פרנסיסקו. המחקר נתמך, בין היתר, על ידי המכונים הלאומיים לבריאות בארצות הברית, הקרן הלאומית למדע וגופים נוספים העוסקים במחקר רפואי ובביולוגיה של תאי גזע.