Durante muito tempo, a ciência considerou que o cérebro se desenvolvia como um único órgão, formado a partir de uma célula progenitora comum. No entanto, um novo estudo liderado por pesquisadores da Universidade Stanford, nos Estados Unidos, contesta esse modelo. O trabalho indica que as regiões frontal e posterior do cérebro surgem de dois tipos diferentes de células durante o desenvolvimento embrionário. Ou seja, seu cérebro é formado a partir de dois órgãos distintos, que evoluíram de forma independente por milhões de anos.

A descoberta indica que o sistema nervoso, que hoje funciona de maneira integrada, pode ter resultado da união, há centenas de milhões de anos, de duas estruturas ancestrais de células nervosas, que evoluíram separadamente. Esses resultados foram melhor descritos em um artigo publicado nesta sexta-feira (18) na revista Nature Neuroscience.

“Nossa pesquisa sugere que a evolução pegou dois sistemas neurais preexistentes e os uniu espacialmente”, pondera Kyle Loh, autor correspondente do estudo. “Ter o cérebro como um único órgão provavelmente seria mais eficiente, mas dependemos dessa forma primordial de formar o cérebro como duas partes separadas.”

A pesquisa tem como ponto central os momentos iniciais da formação do embrião, em uma fase conhecida como gastrulação. É nesse período que diferentes grupos de células começam a assumir destinos específicos e a formar as estruturas que formarão o organismo.

O cérebro adulto possui três grandes regiões: prosencéfalo, mesencéfalo e rombencéfalo. As funções são as seguintes:

 

• O prosencéfalo corresponde à porção anterior e está associado a funções cognitivas mais complexas, como linguagem, consciência e raciocínio abstrato.
• Já o mesencéfalo, localizado entre o prosencéfalo e o rombencéfalo, participa do controle de movimentos e de respostas a estímulos visuais e auditivos, além de atuar em mecanismos relacionados à atenção e ao estado de alerta.

O rombencéfalo, na parte posterior do cérebro, dá origem a estruturas envolvidas no controle de funções automáticas essenciais à sobrevivência, como respiração, sono, alimentação e batimentos cardíacos.

Na classificação adotada pelo estudo, prosencéfalo e mesencéfalo pertencem à porção anterior do cérebro e compartilham a mesma origem celular no desenvolvimento embrionário. O rombencéfalo, por outro lado, segue uma trajetória de desenvolvimento separada.

A equipe identificou, em embriões de camundongos, dois tipos distintos de células progenitoras. Uma delas apresentava expressão do gene Otx2 e estava destinada a formar o prosencéfalo e o mesencéfalo. A outra expressava o gene Gbx2, que dava origem ao rombencéfalo.

O aspecto decisivo, segundo o estudo, é que essas duas populações não se misturavam. Elas permaneciam separadas desde os estágios mais iniciais do desenvolvimento, seguindo caminhos paralelos em vez de uma única linhagem celular se dividir para formar todas as regiões do cérebro.

Para além disso, os cientistas encontraram ainda diferenças na cromatina, estrutura que organiza o DNA dentro das células e ajuda a determinar quais genes podem ser ativados ou permanecer inacessíveis. Na prática, isso significa que as células destinadas às regiões anterior e posterior do cérebro já apresentavam configurações moleculares diferentes, o que contribuía para direcioná-las a destinos distintos.

A nova explicação também ajuda a entender por que pesquisadores enfrentaram tantas dificuldades para produzir em laboratório neurônios do rombencéfalo humano.

“Tentativas anteriores de criar neurônios no rombencéfalo provavelmente tentaram induzir progenitores do prosencéfalo e do mesencéfalo a se transformarem em células do rombencéfalo, o que nosso estudo mostra ser impossível”, afirma Rayyan Jokhai, autor do trabalho, em comunicado.

Essa hipótese foi testada novamente com células humanas. Os pesquisadores utilizaram células-tronco pluripotentes, capazes de originar praticamente qualquer tipo de célula do organismo, e aplicaram o conhecimento sobre as duas linhagens embrionárias para direcioná-las ao desenvolvimento de neurônios do rombencéfalo.

O resultado foi a produção, pela primeira vez, de neurônios motores funcionais dessa região. As células apresentaram atividade elétrica característica dos neurônios e produziram proteínas associadas a segmentos responsáveis pelo controle dos músculos faciais e da deglutição.

“Na biologia das células-tronco, as pessoas estão sempre focadas em criar o tipo celular final, como o neurônio. Mas é importante começar nos estágios iniciais do desenvolvimento embrionário”, avalia Jokhai.

Além de acompanhar o desenvolvimento de camundongos e de células humanas, os pesquisadores buscaram indícios de que essa divisão poderia ser muito mais antiga do que a própria espécie humana.

Para tanto, a equipe analisou embriões de galinhas, peixes-zebra e vermes-bolota. Em todos esses casos, os cientistas encontraram um padrão semelhante de formação do sistema nervoso a partir de duas populações diferentes de células progenitoras.

A semelhança entre espécies tão distintas sugere que essa característica pode remontar a pelo menos 550 milhões de anos, segundo a pesquisa. A análise evolutiva também levou os cientistas a observarem as águas-vivas, que seguiram uma trajetória diferente. Esses animais divergiram da linhagem que levaria aos humanos há cerca de 600 milhões a 700 milhões de anos e possuem dois sistemas nervosos localizados em regiões diferentes do corpo.

Essa interpretação também pode lançar luz sobre a evolução das capacidades cognitivas. De acordo com Loh, pesquisador que assina o estudo, enquanto o sistema nervoso posterior permanecia responsável por funções básicas de manutenção da vida, o desenvolvimento separado do prosencéfalo poderia ter permitido alterações e especializações nessa região ao longo do tempo.

Os pesquisadores também conseguiram aplicar esse conhecimento para produzir, em laboratório, neurônios motores funcionais do rombencéfalo humano (região ligada ao controle de funções vitais, como respiração, sono, alimentação e batimentos cardíacos). Esse avanço pode facilitar o estudo de doenças neurológicas que afetam essas células, como a esclerose lateral amiotrófica (ELA) e a atrofia muscular espinhal (AME).

A capacidade de cultivar neurônios do rombencéfalo em laboratório pode ter consequências importantes para a pesquisa biomédica. Até agora, uma das limitações era a dificuldade de obter tecido correspondente ao tronco encefálico de pacientes vivos para estudar diretamente como determinadas doenças afetam essas células.

Na AME, uma doença genética grave que está entre as principais causas genéticas de morte de crianças com menos de 1 ano, determinados neurônios motores deixam de funcionar progressivamente. Já a ELA, doença neurodegenerativa que costuma ser diagnosticada entre os 40 e os 70 anos, também compromete neurônios motores.

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