To βασικό σκαρίφημα του εγκεφάλου είναι ουσιαστικά πανομοιότυπο σε όλους τους ανθρώπους και παρόμοιο σε όλα τα θηλαστικά. Καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από γενετικούς παράγοντες, αλλά λεπτές λεπτομέρειες των δικτύων επηρεάζονται από την ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου, κυρίως στα πρώιμα στάδια της ζωής. Είναι τέτοια η πολυπλοκότητά του εγκεφάλου, που ακόμη απέχουμε πολύ από το να κατανοήσουμε πλήρως το πώς αναπτύσσεται ο εγκέφαλος. Τα τελευταία χρόνια έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος κυρίως λόγω της εξέλιξης της γενετικής.

Πάρτε ένα γονιμοποιημένο ωάριο και ακολουθείστε τις οδηγίες

Το σώμα και ο εγκέφαλος του ανθρώπου αναπτύσσονται από ένα και μόνο κύτταρο – το γονιμοποιημένο ωάριο. Αλλά πώς; Η θεμελιώδης αρχή της αναπτυξιακής βιολογίας είναι ότι το γονιδίωμα είναι μία σειρά οδηγιών για να φτιαχτεί ένα όργανο του σώματος, όχι ένα προσχέδιο. Το γονιδίωμα αποτελείται από περίπου 40,000 γονίδια που ενορχηστρώνουν τη διαδικασία. Η εκτέλεση αυτών των οδηγιών μοιάζει λίγο με την Κινέζικη τέχνη του πτυσσόμενου χαρτιού – ένα μικρό κομμάτι χαρτί αν το διπλώσουμε, το τυλίξουμε και το ξεδιπλώσουμε θα μας δώσει ένα κατασκεύασμα που θα χρειαζόντουσαν πολλά σχέδια να γίνουν για να το μιμηθούν. Ξεκινώντας με το έμβρυο, μία σχετικά περιορισμένη σειρά οδηγιών μπορεί να παράγει μία τεράστια ποικιλία κυττάρων και συνδέσεων του εγκεφάλου κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης.

Προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι πολλά από τα γονίδιά μας είναι ίδια με τα γονίδια που έχει το μυγάκι των φρούτων, η Δροσόφιλα. Πράγματι, χάρη σε μελέτες με αυτό το μυγάκι, αναγνωρίστηκε για πρώτη φορά η πλειονότητα των γονιδίων που γνωρίζουμε ότι είναι σημαντικά για την ανάπτυξη του ανθρώπινου νευρικού συστήματος. Οι νευροεπιστήμονες που μελετούν την ανάπτυξη του εγκεφάλου εξετάζουν μία μεγάλη ποικιλία ζώων – το ζεβρόψαρο, το βάτραχο, το κοτόπουλο και το ποντίκι – κάθε ένα από τα οποία έχει πλεονεκτήματα ως προς τη μελέτη συγκεκριμένων μοριακών ή κυτταρικών αντιδράσεων. Το έμβρυο του ζεβρόψαρου είναι διάφανο – και αυτό επιτρέπει να φαίνεται στο μικροσκόπιο κάθε κύτταρο καθώς αναπτύσσεται. Το ποντίκι αναπαράγεται γρήγορα – το γονιδίωμα του έχει χαρτογραφηθεί και οι αλληλουχίες έχουν αναγνωριστεί σχεδόν πλήρως. Τα κοτόπουλα και τα βατράχια είναι λιγότερο επιδεκτικά σε γενετικές μελέτες, αλλά τα μεγάλα έμβρυά τους επιτρέπουν μικροχειρουργικές παρεμβάσεις – όπως π.χ. η έρευνα που εξετάζει τι θα συμβεί εάν κάποια κύτταρα μετακινηθούν σε λάθος θέσεις.

Τα πρώτα βήματα…

Το πρώτο βήμα στην ανάπτυξη του εγκεφάλου είναι η κυτταρική διαίρεση. Ένα άλλο βασικό στάδιο είναι η κυτταρική διαφοροποίηση, κατά την οποία ορισμένα κύτταρα σταματούν να διαιρούνται και αποκτούν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά – π.χ. γίνονται νευρώνες ή γλοιακά κύτταρα. Η διαφοροποίηση καθορίζει τη διάταξη τους στο χώρο. Διαφορετικά είδη νευρώνων μεταναστεύουν σε διάφορα σημεία κατά τη διάρκεια μιας διαδικασίας, που ονομάζεται δημιουργία προτύπου.

Το πρώτο μεγάλο γεγονός στη δημιουργία προτύπου πραγματοποιείται κατά την τρίτη εβδομάδα της κύησης, όταν το έμβρυο είναι μόλις δύο συνδεδεμένες κυτταρικές στιβάδες διαιρουμένων κυττάρων. Μία μικρή συστάδα κυττάρων στην ανώτερη επιφάνεια της διπλής στιβάδας διατάζεται να δημιουργήσει ολόκληρο τον εγκέφαλο και το νωτιαίο μυελό. Αυτά τα κύτταρα σχηματίζουν μία δομή σε σχήμα ρακέτας του τένις, που ονομάζεται νευρική πλάκα, το πρόσθιο τμήμα της οποίας προορίζεται να σχηματίσει τον εγκέφαλο και το οπίσθιο, το νωτιαίο μυελό. Τα σήματα που καθορίζουν τo πεπρωμένο αυτών των κυττάρων προέρχονται από την υποκείμενη στιβάδα η οποία συμβάλλει στον σχηματισμό του σκελετού της μέσης γραμμής και των μυών του εμβρύου. Διάφορες περιοχές του πρώιμου νευρικού συστήματος εκφράζουν διαφορετικές υποομάδες γονιδίων, προμηνύοντας την ανάδειξη εγκεφαλικών περιοχών – πρόσθιος, μέσος και οπίσθιος εγκέφαλος – με διακριτή κυτταρική αρχιτεκτονική και λειτουργία.

Περιστροφή

Μία εβδομάδα αργότερα, η νευρική πλάκα τυλίγεται, κλείνεται σε ένα σωλήνα και βυθίζεται στο έμβρυο, όπου περιβάλλεται από τη μελλοντική επιδερμίδα. Στις αμέσως επόμενες εβδομάδες συμβαίνουν και άλλες σημαντικές αλλαγές, συμπεριλαμβανομένων αλλαγών στο σχήμα, τη διαίρεση και τη μετανάστευση των κυττάρων και την προσκόλληση του ενός κυττάρου με το άλλο. Για παράδειγμα, ο νευρικός σωλήνας λυγίζει έτσι ώστε η πρόσθια περιοχή να κάμπτεται στις δεξιές γωνίες προς την περιοχή του κορμού. Αυτή η διαδικασία προχωρά σε όλο και πιο λεπτά επίπεδα ανάλυσης, προσδίδοντας τελικά ατομική ταυτότητα στους νεαρούς νευρώνες. Όμως κάτι μπορεί να πάει λάθος. Η αποτυχία της νευρικής πλάκας να κλείσει έχει ως αποτέλεσμα τη δισχιδή ράχη, μία κατάσταση που συνήθως περιορίζεται στο κατώτερο τμήμα του νωτιαίου μυελού και αν και είναι δυσάρεστη, δεν αποτελεί απειλή για τη ζωή. Αντίθετα, αποτυχία του πρόσθιου άκρου να κλείσει μπορεί να προκαλέσει πλήρη έλλειψη ενός οργανωμένου εγκεφάλου, κατάσταση γνωστή ως ανεγκεφαλία.

Γνωρίστε τη θέση σας στη ζωή

Η βασική αρχή για τη δημιουργία νευρωνικού προτύπου είναι ότι τα κύτταρα μαθαίνουν τη θέση τους ανάλογα με τη σχετική τους θέση στους κύριους άξονες του νευρικού συστήματος – από μπροστά προς τα πίσω και από την κορυφή προς τα κάτω. Στην πραγματικότητα, κάθε κύτταρο αντιλαμβάνεται τη θέση του σε σχέση με αυτές τις ορθογώνιες συντεταγμένες όπως ένας άνθρωπος, που όταν διαβάζει ένα χάρτη, υπολογίζει τη θέση του μετρώντας την απόσταση από τα συγκεκριμένα σημεία. Ο τρόπος με τον οποίο πραγματοποιείται αυτή η διαδικασία σε μοριακό επίπεδο, είναι ότι το έμβρυο δημιουργεί ένα αριθμό τοπικών πολικών περιοχών στο νευρικό σωλήνα, που εκκρίνουν μόρια μετάδοσης σήματος. Σε κάθε περίπτωση, το μόριο διαχέεται από την πηγή του για να σχηματίσει μία κλιμακούμενη συγκέντρωση σε μακρινή απόσταση. Ένα παράδειγμα αυτού του μηχανισμού αναζήτησης θέσης αποτελεί ο εκ των άνω προς τα κάτω άξονας (ραχιαίο-κοιλιακός) του νωτιαίου μυελού. Το κατώτερο τμήμα του νευρικού σωλήνα εκφράζει μία πρωτεΐνη με ένα χαριτωμένο όνομα – Sonic hedgehog (ηχητικός σκαντζόχοιρος). Η Sonic hedgehog διαχέεται από την κοιλιακή ζώνη του νευρικού σωλήνα και δρα σε κύτταρα στον ραχιαίο­κοιλιακό άξονα, ανάλογα με την απόσταση τους από την κοιλιακή ζώνη. Όταν πλησιάσει τα κύτταρα, προκαλεί την έκφραση ενός γονιδίου που δημιουργεί ένα συγκεκριμένο είδος ενδονευρώνων. Όταν τα κύτταρα βρίσκονται πιο μακριά, οι μικρότερες συγκεντρώσεις της προκαλούν έκφραση ενός άλλου γονιδίου, που δημιουργεί κινητικούς νευρώνες.

Μείνετε ακίνητοι ή μάθετε προς τα πού πηγαίνετε

Όταν ένας νευρώνας αποκτήσει ατομική ταυτότητα και σταματήσει να διαιρείται, εκτείνει τον άξονά του με μία διευρυμένη αιχμηρή απόληξη, γνωστή ως αυξητικός κώνος. Σαν ευκίνητος ορειβάτης, ο αυξητικός κώνος ειδικεύεται να διαπερνά τον ιστό, χρησιμοποιώντας τις ικανότητες του για να διαλέξει το καλύτερο μονοπάτι. Καθώς το επιτυγχάνει, αφήνει πίσω του τον άξονα, όπως ο σκύλος αφήνει πίσω του ένα χαλαρό λουρί. Από τη στιγμή που θα φτάσει στο στόχο του, χάνει την ικανότητά του για κίνηση και σχηματίζει μία σύναψη. Η αξονική καθοδήγηση είναι ένα έξοχο επίτευγμα πλοήγησης, που χαρακτηρίζεται από ακρίβεια τόσο σε μικρές όσο και σε μεγάλες αποστάσεις. Είναι, επίσης, μία πολύ εστιασμένη διεργασία καθώς όχι μόνο επιλέγεται το κύτταρο-στόχος με μεγάλη ακρίβεια αλλά, για να φτάσει ο αυξητικός κώνος στο σημείο αυτό, ίσως χρειαστεί να διασταυρωθεί με άλλους κώνους, που κατευθύνονται προς διαφορετικά σημεία. Κατά τη διάρκεια αυτής της πορείας, καθοδηγητικά σήματα που προσελκύουν -χημειοέλξη (+) ή απωθούν -χημειοαπώθηση (-) τους αυξητικούς κώνους, τους βοηθούν να βρουν το δρόμο τους. Οι μοριακοί μηχανισμοί που ρυθμίζουν την έκφραση αυτών των σημάτων δεν είναι πλήρως κατανοητοί.

Σμιλεύοντας με τη βοήθεια ηλεκτρικής δραστηριότητας

Αν και από το ξεκίνημα επιτυγχάνεται υψηλού βαθμού ακρίβεια στη χωροταξική διάταξη των νευρώνων και στη συνδεσμολογία τους, το διάγραμμα της συνδεσμολογίας ορισμένων τμημάτων του νευρικού συστήματος υποβάλλεται αργότερα σε βελτίωση που εξαρτάται από τη δραστηριότητα, όπως είναι η σμίκρυνση των αξόνων και ο νευρωνικός θάνατος. Αυτές οι απώλειες μπορεί να φαίνονται επιζήμιες, αλλά δεν είναι πάντα δυνατό ή και επιθυμητό, να φτιαχτεί ένας πλήρης και τέλειος εγκέφαλος μόνο από την κατασκευή.

Η εξέλιξη μπορεί να είναι «μαστροχαλαστής» -αλλά μπορεί να είναι και γλύπτης-δημιουργός. Για παράδειγμα, η σημείο­προς-σημείο χαρτογράφηση μεταξύ των νευρώνων στο μάτι και στον εγκέφαλο, απολύτως απαραίτητη για την οξεία όραση, επιτυγχάνεται εν μέρη με την προσχεδιασμένη επίδραση της ηλεκτρικής δραστηριότητας στον αμφιβληστροειδή. Επίσης, μία αρχική υπεράφθονη ομάδα συνδέσεων σμιλεύεται κατά τη διάρκεια μιας κρίσιμης περιόδου, μετά την οποία το βασικό πρότυπο του οπτικού συστήματος είναι πλήρες και αυτό γίνεται σε ηλικία περίπου 8 εβδομάδων στους πιθήκους και περίπου ενός έτους στον άνθρωπο. Μία ενδιαφέρουσα ερώτηση είναι αν αυτός ο πρώιμος αναπτυξιακός προγραμματισμός μπορεί να επανενεργοποιηθεί σε περιπτώσεις παθολογικής απώλειας νευρώνων (όπως στις νόσους Alzheimer και Parkinson) ή μετά από τραυματισμό του νωτιαίου μυελού, που οδηγεί σε παράλυση. Στην περίπτωση τραυματισμού, οι άξονες μπορούν να καταφέρουν να αναπτυχθούν ξανά, αλλά η δυνατότητα να αναδιαμορφώσουν ορθά τις συνδέσεις τους, παραμένει ένα πεδίο προς εντατική διερεύνηση.

Η επανάσταση του γονιδιώματος

Σήμερα πλέον οι γνώσεις που αποκτούμε με ταχύτατους ρυθμούς επιτρέπουν την ανάγνωση ενός πλήρους καταλόγου με τα γονίδια που απαιτούνται για τη δημιουργία του εγκεφάλου. Η τεράστια εξέλιξη των μεθόδων της μοριακής βιολογίας, μας επιτρέπει να ελέγξουμε τη λειτουργία γονιδίων, τροποποιώντας την έκφρασή τους, όποτε και όπου θέλουμε κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης. Ο βασικός στόχος τώρα είναι να ξεδιαλύνουμε την ιεραρχία του γενετικού ελέγχου, που επιτρέπει την μετατροπή μιας στιβάδας νευρώνων σε λειτουργικό εγκέφαλο. Πρόκειται για μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις των Νευροεπιστημών.

Ερευνητικά Σύνορα

Τα βλαστοκύτταρα είναι πρόγονα κύτταρα του οργανισμού που έχουν τη δυνατότητα να μετατρέπονται σε όλα τα είδη κυττάρων. Ορισμένα, τα εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα, πολλαπλασιάζονται πολύ νωρίς κατά την ανάπτυξη. Άλλα βρίσκονται στο μυελό των οστών και στον ομφάλιο λώρο, που συνδέει τη μητέρα με το έμβρυο. Οι νευροεπιστήμονες προσπαθούν να μάθουν αν τα κύτταρα αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την διόρθωση νευρώνων που υπέστησαν βλάβη στον ενήλικο εγκέφαλο. Το μεγαλύτερο μέρος της έρευνας γίνεται σε πειραματόζωα, αλλά ελπίζουμε ότι τελικά θα μπορούμε να διορθώσουμε περιοχές του εγκεφάλου, που υπέστησαν βλάβη σε ασθένειες όπως στη νόσο Parkinson.

250,000 κύτταρα προστίθενται στον εγκέφαλό σας κάθε λεπτό σε συγκεκριμένα στάδια της ανάπτυξης. Διαβάστε περισσότερα: http://faculty.washington.edu/chudler/dev.html

International Brain Research Organisation (IBRO)
British Neuroscience Association (BNA)
Ελληνική μετάφραση:
Ζέτα Παπαδοπούλου-Νταϊφώτη, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Φαρμακολογίας
και Διευθύντρια του Εργαστηρίου Φαρμακολογίας της Ιατρικής Σχολής του Παν/μιου Αθηνών
Δρ Στέλλα Γ. Γιακουμάκη, Ψυχολόγος, Μεταδιδακτορική Ερευνήτρια του Τμήματος Ιατρικής του Παν/μίου Κρήτης
Γεώργιος Κωστόπουλος, Πρόεδρος της Ελληνικής Εταιρείας Νευροεπιστημών
Τελευταία αναθεώρηση : 19/12/2007