Uma pesquisa conduzida por cientistas da Universidade Stanford, nos Estados Unidos, desafia a visão tradicional de que o cérebro se desenvolve como um único órgão originado de uma única linhagem celular. O estudo, publicado na revista Nature Neuroscience nesta sexta-feira, 18 de outubro, indica que as regiões frontal e posterior do cérebro emergem de dois tipos diferentes de células durante o desenvolvimento embrionário. Essa descoberta sugere que o cérebro humano, na sua origem, é uma combinação de duas estruturas distintas que evoluíram de forma independente ao longo de milhões de anos.
A investigação aponta que o sistema nervoso, atualmente integrado e coordenado, pode ter resultado da fusão de duas estruturas ancestrais de células nervosas, que evoluíram separadamente há centenas de milhões de anos. Segundo Kyle Loh, autor principal do estudo, essa união ocorreu ao longo da evolução, unindo dois sistemas neurais preexistentes de maneira espacial. Apesar de uma configuração mais eficiente de um cérebro unificado, a formação de duas partes separadas inicialmente parece ter sido uma estratégia evolutiva fundamental.
O estudo focaliza os primeiros momentos do desenvolvimento embrionário, especialmente a fase conhecida como gastrulação, quando diferentes grupos de células assumem destinos específicos e dão origem às estruturas do organismo. Em um cérebro adulto, é possível identificar três grandes regiões: prosencéfalo, mesencéfalo e rombencéfalo. O prosencéfalo, localizado na parte anterior, está relacionado às funções cognitivas superiores, como linguagem, consciência e raciocínio abstrato. O mesencéfalo, situado entre o prosencéfalo e o rombencéfalo, participa do controle de movimentos, respostas visuais e auditivas, além de mecanismos de atenção e estado de alerta. O rombencéfalo, na região posterior, é responsável por funções automáticas essenciais à sobrevivência, incluindo respiração, sono, alimentação e batimentos cardíacos.
A equipe de pesquisa identificou, em embriões de camundongos, dois tipos distintos de células progenitoras. Uma delas expressava o gene Otx2 e destinava-se à formação do prosencéfalo e do mesencéfalo, enquanto a outra, expressando o Gbx2, dava origem ao rombencéfalo. Os pesquisadores observaram que essas populações celulares permaneciam separadas desde os estágios iniciais do desenvolvimento, seguindo trajetórias paralelas, sem se misturar. Além disso, diferenças na cromatina — estrutura que regula a expressão gênica ao organizar o DNA — indicam que as células destinadas às regiões anterior e posterior do cérebro já possuíam configurações moleculares distintas, reforçando a separação em estágios iniciais.
Essa descoberta ajuda a compreender por que, por décadas, cientistas enfrentaram dificuldades na produção de neurônios do rombencéfalo em laboratório. Segundo Rayyan Jokhai, um dos autores do estudo, tentativas anteriores de induzir progenitores do prosencéfalo e mesencéfalo a se diferenciarem em neurônios do rombencéfalo provavelmente eram inviáveis, dado que essas populações celulares permanecem separadas desde o início do desenvolvimento embrionário.
Para testar essa hipótese, os pesquisadores utilizaram células-tronco pluripotentes humanas, capazes de se transformar em diversos tipos celulares, e aplicaram o conhecimento sobre as linhagens embrionárias distintas. Como resultado, conseguiram produzir, pela primeira vez, neurônios motores funcionais do rombencéfalo, que apresentaram atividade elétrica típica de neurônios e produziram proteínas relacionadas ao controle de músculos faciais e deglutição. Jokhai destaca que, na biologia do desenvolvimento, o foco costuma estar na geração do tipo celular final, mas é fundamental compreender os estágios iniciais do embrião para entender a origem dessas células.
Além de analisar embriões de camundongos e células humanas, os pesquisadores buscaram evidências em espécies mais primitivas, como galinhas, peixes-zebra e vermes-bolota. Em todos esses casos, observaram um padrão semelhante de formação do sistema nervoso a partir de duas populações distintas de células progenitoras. A semelhança entre espécies tão diferentes sugere que essa característica remonta a pelo menos 550 milhões de anos. A análise evolutiva também apontou que animais como as águas-vivas, que divergiram há aproximadamente 600 a 700 milhões de anos, possuem dois sistemas nervosos em regiões distintas do corpo, indicando uma origem antiga dessa estrutura.
A pesquisa sugere que a separação do sistema nervoso em duas partes distintas, uma responsável por funções básicas de manutenção da vida e outra relacionada às funções cognitivas superiores, pode ter sido uma vantagem evolutiva. Essa divisão permitiu, ao longo do tempo, a especialização e o desenvolvimento de capacidades cognitivas mais complexas, além de manter funções essenciais de sobrevivência.
Por fim, os avanços obtidos na produção de neurônios do rombencéfalo em laboratório têm potencial para melhorar o entendimento de doenças neurológicas que afetam essas regiões, como a esclerose lateral amiotrófica (ELA) e a atrofia muscular espinhal (AME). Essas condições degenerativas, que comprometem neurônios motores responsáveis por funções vitais, podem ser estudadas com maior precisão, possibilitando o desenvolvimento de estratégias terapêuticas mais eficazes. Jokhai destaca que esses modelos celulares podem acelerar a pesquisa e o desenvolvimento de tratamentos regenerativos para doenças que, até então, apresentavam limitações devido à dificuldade de obter tecido correspondente ao tronco encefálico de pacientes vivos.
