Τα έμβρυα χωρίς εγκέφαλο προτείνουν οδηγούς ανάπτυξης βιοηλεκτρισμού

Το μικροσκοπικό έμβρυο του γυρίνου έμοιαζε με φασόλι. Μια μέρα, δεν είχε ακόμη καρδιά. Ο ερευνητής με λευκό παλτό και γάντια που αιωρούνταν από πάνω του έκανε μια ακριβή χειρουργική τομή όπου θα σχηματιζόταν το κεφάλι του. Λίγες στιγμές αργότερα, ο εγκέφαλος είχε φύγει, αλλά το έμβρυο ήταν ακόμα ζωντανό.

Η σύντομη διαδικασία οδήγησε τη Celia Herrera-Rincon, μεταδιδάκτορα νευροεπιστήμης στο Allen Discovery Center στο Πανεπιστήμιο Tufts, πίσω στην εξοχική κατοικία στην Ισπανία όπου είχε μεγαλώσει, στα βουνά κοντά στη Μαδρίτη. Όταν ήταν 11 ετών, ενώ περπατούσε τα σκυλιά της στο δάσος, βρήκε ένα φίδι, το Vipera latastei . Ήταν όμορφο αλλά νεκρό. «Συνειδητοποίησα ότι ήθελα να δω τι υπήρχε μέσα στο κεφάλι», θυμάται. Έκανε την πρώτη της «εργαστηριακή δοκιμή» χρησιμοποιώντας κουζινικά μαχαίρια και τσιμπιδάκια, και έκτοτε γοητεύεται από τα πολλά σχήματα και τις εξελικτικές μορφολογίες του εγκεφάλου. Η συλλογή της περιέχει τώρα περίπου 1.000 εγκεφάλους από όλα τα είδη πλασμάτων.

Αυτή τη φορά, ωστόσο, δεν την ενδιέφερε ο ίδιος ο εγκέφαλος, αλλά για το πώς θα αναπτυσσόταν ένας αφρικανικός βάτραχος με νύχια χωρίς έναν. Αυτή και ο προϊστάμενός της, Μάικλ Λέβιν, μηχανικός λογισμικού που έγινε αναπτυξιακός βιολόγος, ερευνούν εάν ο εγκέφαλος και το νευρικό σύστημα διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στη διαμόρφωση των προτύπων που υπαγορεύουν τα σχήματα και τις ταυτότητες των αναδυόμενων οργάνων, άκρων και άλλων δομών.

Τα τελευταία 65 χρόνια, το επίκεντρο της αναπτυξιακής βιολογίας είναι το DNA ως φορέας βιολογικών πληροφοριών. Οι ερευνητές συνήθως έχουν υποθέσει ότι τα πρότυπα γενετικής έκφρασης από μόνα τους είναι αρκετά για τον προσδιορισμό της εμβρυϊκής ανάπτυξης.

Για τον Levin, ωστόσο, αυτή η εξήγηση δεν είναι ικανοποιητική. «Από πού προέρχεται το σχήμα; Τι είναι αυτό που κάνει έναν ελέφαντα να διαφέρει από ένα φίδι;» ρώτησε. Το DNA μπορεί να παράγει πρωτεΐνες μέσα στα κύτταρα, είπε, αλλά «δεν υπάρχει τίποτα στο γονιδίωμα που να καθορίζει άμεσα την ανατομία». Για να αναπτυχθούν σωστά, υποστηρίζει, οι ιστοί χρειάζονται χωρικές ενδείξεις που πρέπει να προέρχονται από άλλες πηγές στο έμβρυο. Τουλάχιστον μέρος αυτής της καθοδήγησης, πιστεύει ο ίδιος και η ομάδα του, είναι ηλεκτρικές.

Τα τελευταία χρόνια, δουλεύοντας σε γυρίνους και άλλα απλά πλάσματα, το εργαστήριο του Levin έχει συγκεντρώσει στοιχεία ότι το έμβρυο διαμορφώνεται από βιοηλεκτρικά σήματα, ιδιαίτερα αυτά που προέρχονται από τον νεαρό εγκέφαλο πολύ πριν γίνει ακόμη ένα λειτουργικό όργανο. Αυτά τα αποτελέσματα, εάν αναπαραχθούν σε άλλους οργανισμούς, μπορεί να αλλάξουν την κατανόησή μας για τους ρόλους των ηλεκτρικών φαινομένων και του νευρικού συστήματος στην ανάπτυξη, και ίσως ευρύτερα στη βιολογία.

«Τα ευρήματα του Levin θα κλονίσουν κάποια άκαμπτη ορθοδοξία στο πεδίο», δήλωσε ο Sui Huang, μοριακός βιολόγος στο Ινστιτούτο Συστημικής Βιολογίας. Αν το έργο του Levin αντέξει, συνέχισε ο Huang, «νομίζω ότι πολλοί αναπτυξιολόγοι θα μείνουν έκπληκτοι βλέποντας ότι η κατασκευή του σχεδίου σώματος δεν οφείλεται σε τοπική ρύθμιση των κυττάρων… αλλά ενορχηστρώνεται κεντρικά από τον εγκέφαλο».

Βιοηλεκτρικές επιρροές στην ανάπτυξη

Ο Ισπανός νευροεπιστήμονας και βραβευμένος με Νόμπελ Santiago Ramón y Cajal κάποτε αποκάλεσε τον εγκέφαλο και τους νευρώνες, τα ηλεκτρικά ενεργά κύτταρα που επεξεργάζονται και μεταδίδουν νευρικά σήματα, «πεταλούδες της ψυχής». Ο εγκέφαλος είναι ένα κέντρο επεξεργασίας πληροφοριών, μνήμης, λήψης αποφάσεων και συμπεριφοράς και ο ηλεκτρισμός συμμετέχει στην απόδοσή του σε όλες αυτές τις δραστηριότητες.

Αλλά δεν είναι μόνο ο εγκέφαλος που χρησιμοποιεί βιοηλεκτρική σηματοδότηση – ολόκληρο το σώμα χρησιμοποιεί. Όλες οι κυτταρικές μεμβράνες έχουν ενσωματωμένα κανάλια ιόντων, πόρους πρωτεΐνης που λειτουργούν ως μονοπάτια για φορτισμένα μόρια ή ιόντα. Οι διαφορές μεταξύ του αριθμού των ιόντων μέσα και έξω από ένα κύτταρο έχουν ως αποτέλεσμα μια ηλεκτρική κλίση - το δυναμικό ηρεμίας του κυττάρου. Αλλάξτε αυτό το δυναμικό ανοίγοντας ή μπλοκάροντας τα κανάλια ιόντων και αλλάζετε τα σήματα που μεταδίδονται προς, από και μεταξύ των κυψελών ολόγυρα. Οι νευρώνες το κάνουν επίσης, αλλά ακόμη πιο γρήγορα:Για να επικοινωνήσουν μεταξύ τους, χρησιμοποιούν μόρια που ονομάζονται νευροδιαβιβαστές που απελευθερώνονται στις συνάψεις ως απόκριση σε αιχμές τάσης και στέλνουν εξαιρετικά γρήγορους ηλεκτρικούς παλμούς σε μεγάλες αποστάσεις κατά μήκος των αξόνων τους, κωδικοποιώντας πληροφορίες στο μοτίβο παλμών, για τον έλεγχο της μυϊκής δραστηριότητας.

Ο Levin σκέφτηκε να παραβιάσει δίκτυα νευρώνων από τα μέσα της δεκαετίας του 1980, όταν ήταν μαθητής γυμνασίου στα προάστια κοντά στη Βοστώνη, γράφοντας λογισμικό για χαρτζιλίκι. Μια μέρα, ενώ περιηγείτο σε ένα μικρό βιβλιοπωλείο στο Βανκούβερ στο Expo 86 με τον πατέρα του, εντόπισε έναν τόμο που ονομάζεται The Body Electric, από τους Robert O. Becker και Gary Selden. Έμαθε ότι οι επιστήμονες ερευνούσαν τον βιοηλεκτρισμό για αιώνες, από τότε που ο Luigi Galvani ανακάλυψε στη δεκαετία του 1780 ότι τα νεύρα κινούνται από αυτό που ονόμασε «ζωικό ηλεκτρισμό».

Ωστόσο, καθώς ο Levin συνέχιζε να διαβάζει για το θέμα, συνειδητοποίησε ότι, παρόλο που ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί ηλεκτρισμό για την επεξεργασία πληροφοριών, κανείς δεν φαινόταν να ερευνά σοβαρά τον ρόλο του βιοηλεκτρισμού στη μεταφορά πληροφοριών για την ανάπτυξη ενός σώματος. Δεν θα ήταν ωραίο, σκέφτηκε, αν μπορούσαμε να κατανοήσουμε «πώς οι ιστοί επεξεργάζονται τις πληροφορίες και τι «σκέφτονταν» οι ιστοί προτού εξελίξουν το νευρικό σύστημα και τον εγκέφαλο;»

Άρχισε να σκάβει βαθύτερα και κατέληξε να πάρει διδακτορικό βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ στη μορφογένεση — τη μελέτη της ανάπτυξης σχημάτων στα ζωντανά όντα. Εργάστηκε σύμφωνα με την παράδοση επιστημόνων όπως ο Emil du Bois-Reymond, ένας Γερμανός γιατρός του 19ου αιώνα που ανακάλυψε τη δυνατότητα δράσης των νεύρων. Τις δεκαετίες του 1930 και του ’40, οι Αμερικανοί βιολόγοι Χάρολντ Μπουρ και Έλμερ Λουντ μέτρησαν τις ηλεκτρικές ιδιότητες διαφόρων οργανισμών κατά την εμβρυϊκή τους ανάπτυξη και μελέτησαν τις συνδέσεις μεταξύ του βιοηλεκτρισμού και των σχημάτων που παίρνουν τα ζώα. Δεν μπόρεσαν να αποδείξουν μια σύνδεση, αλλά κινούνταν προς τη σωστή κατεύθυνση, είπε ο Levin.

Πριν τα Γονίδια Κυριαρχήσουν Υπέρτατα

Το έργο του Burr και του Lund συνέβη σε μια εποχή ευρέως διαδεδομένου ενδιαφέροντος για την εμβρυολογία. Ακόμη και ο Άγγλος μαθηματικός Άλαν Τούρινγκ, φημισμένος για το σπάσιμο του κώδικα Enigma, ήταν γοητευμένος από την εμβρυολογία. Το 1952 δημοσίευσε μια εργασία που υποδηλώνει ότι τα μοτίβα του σώματος όπως οι μελαγχρωματικές κηλίδες και οι λωρίδες ζέβρας προκύπτουν από τις χημικές αντιδράσεις των ουσιών διάχυσης, τις οποίες ονόμασε μορφογόνα.

Αλλά οργανικές εξηγήσεις όπως τα μορφογόνα και ο βιοηλεκτρισμός δεν έμειναν στο προσκήνιο για πολύ. Το 1953, ο James Watson και ο Francis Crick δημοσίευσαν τη διπλή ελικοειδή δομή του DNA και στις δεκαετίες από τότε «η εστίαση της αναπτυξιακής βιολογίας ήταν στο DNA ως φορέας βιολογικών πληροφοριών, με τα κύτταρα που πιστεύεται ότι ακολουθούν τα δικά τους εσωτερικά γενετικά προγράμματα. με συνθήματα από το τοπικό τους περιβάλλον και τα γειτονικά κύτταρα», είπε ο Huang.

Το σκεπτικό, σύμφωνα με τον Richard Nuccitelli, επικεφαλής επιστήμονας στην Pulse Biosciences και πρώην καθηγητή μοριακής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Davis, ήταν ότι «καθώς το DNA είναι αυτό που κληρονομείται, οι πληροφορίες που αποθηκεύονται στα γονίδια πρέπει να προσδιορίζουν όλα όσα χρειάζονται. για να αναπτυχθεί." Οι ιστοί λέγονται πώς να αναπτύσσονται σε τοπικό επίπεδο από γειτονικούς ιστούς, πιστεύεται ότι και κάθε περιοχή διαμορφώνεται από πληροφορίες στα γονιδιώματα των κυττάρων της.

Η ακραία μορφή αυτής της άποψης είναι «να εξηγήσουμε τα πάντα λέγοντας «είναι στα γονίδια» ή στο DNA, και αυτή η τάση έχει ενισχυθεί από τις ολοένα πιο ισχυρές και προσιτές τεχνολογίες αλληλουχίας DNA», είπε ο Huang. "Αλλά πρέπει να κάνουμε σμίκρυνση:Προτού η μοριακή βιολογία επιβάλει τη μυωπική σήραγγα όρασή μας, οι βιολόγοι ήταν πολύ πιο ανοιχτοί σε αρχές σε επίπεδο οργανισμού."

Η παλίρροια τώρα φαίνεται να αλλάζει, σύμφωνα με τον Herrera-Rincon και άλλους. «Είναι πολύ απλοϊκό να θεωρείται το γονιδίωμα ως η μόνη πηγή βιολογικών πληροφοριών», είπε. Οι ερευνητές συνεχίζουν να μελετούν τα μορφογόνα ως πηγή αναπτυξιακών πληροφοριών στο νευρικό σύστημα, για παράδειγμα. Τον περασμένο Νοέμβριο, ο Levin και ο Chris Fields, ένας ανεξάρτητος επιστήμονας που εργάζεται στον τομέα όπου αλληλεπικαλύπτονται η βιολογία, η φυσική και η πληροφορική, δημοσίευσαν μια εργασία υποστηρίζοντας ότι το κυτταρόπλασμα, ο κυτταροσκελετός και τόσο οι εσωτερικές όσο και οι εξωτερικές μεμβράνες κωδικοποιούν επίσης σημαντικά δεδομένα σχηματισμού — και χρησιμεύουν ως συστήματα της κληρονομικότητας παράλληλα με το DNA.

Και, το σημαντικότερο, ο βιοηλεκτρισμός έχει επιστρέψει επίσης. Στη δεκαετία του 1980 και του 1990, ο Nuccitelli, μαζί με τον αείμνηστο Lionel Jaffe στο Marine Biological Laboratory, τον Colin McCaig στο Πανεπιστήμιο του Aberdeen και άλλοι, χρησιμοποίησαν εφαρμοσμένα ηλεκτρικά πεδία για να δείξουν ότι πολλά κύτταρα είναι ευαίσθητα στα βιοηλεκτρικά σήματα και ότι ο ηλεκτρισμός μπορεί να προκαλούν αναγέννηση των άκρων σε μη αναγεννητικά είδη.

Σύμφωνα με τον Masayuki Yamashita του Διεθνούς Πανεπιστημίου Υγείας και Πρόνοιας στην Ιαπωνία, πολλοί ερευνητές ξεχνούν ότι κάθε ζωντανό κύτταρο, όχι μόνο οι νευρώνες, παράγει ηλεκτρικά δυναμικά σε όλη την κυτταρική μεμβράνη. "Αυτό το ηλεκτρικό σήμα λειτουργεί ως περιβαλλοντική ένδειξη για τη διακυτταρική επικοινωνία, ενορχηστρώνοντας τις κυτταρικές συμπεριφορές κατά τη μορφογένεση και την αναγέννηση", είπε.

Ωστόσο, κανείς δεν ήταν πραγματικά σίγουρος γιατί ή πώς λειτουργούσε αυτή η βιοηλεκτρική σηματοδότηση, είπε ο Levin, και οι περισσότεροι εξακολουθούν να πιστεύουν ότι η ροή των πληροφοριών είναι πολύ τοπική. «Ο εφαρμοσμένος ηλεκτρισμός σε προηγούμενα πειράματα αλληλεπιδρά άμεσα με κάτι στα κύτταρα, πυροδοτώντας τις αποκρίσεις τους», είπε. Αλλά με τι αλληλεπιδρούσε και πώς ενεργοποιήθηκαν οι απαντήσεις ήταν μυστήρια.

Αυτό οδήγησε τον Levin και τους συναδέλφους του να αρχίσουν να ασχολούνται με το δυναμικό ηρεμίας των κυττάρων. Με την αλλαγή της τάσης των κυψελών στους επίπεδους σκώληκες, τα τελευταία χρόνια παρήγαγαν σκουλήκια με δύο κεφάλια ή με ουρές σε απροσδόκητα σημεία. Στους γυρίνους, επαναπρογραμμάτισαν την ταυτότητα μεγάλων ομάδων κυττάρων σε επίπεδο ολόκληρων οργάνων, φτιάχνοντας βατράχους με επιπλέον πόδια και αλλάζοντας τον ιστό του εντέρου στα μάτια — απλώς παραβιάζοντας την τοπική βιοηλεκτρική δραστηριότητα που παρέχει πληροφορίες μοτίβων.

Και επειδή ο εγκέφαλος και το νευρικό σύστημα είναι τόσο εμφανώς ενεργά ηλεκτρικά, οι ερευνητές άρχισαν επίσης να διερευνούν τη συμμετοχή τους σε μοτίβα βιοηλεκτρικών πληροφοριών σε μεγάλες αποστάσεις που επηρεάζουν την ανάπτυξη. Το 2015, ο Levin, ο μεταδιδακτορικός του Vaibhav Pai και άλλοι συνεργάτες του έδειξαν πειραματικά ότι τα βιοηλεκτρικά σήματα από το σώμα διαμορφώνουν την ανάπτυξη και τη διαμόρφωση του εγκεφάλου στα πρώτα του στάδια. Αλλάζοντας το δυναμικό ηρεμίας στα κύτταρα των γυρίνων τόσο μακριά από το κεφάλι όσο το έντερο, φάνηκε να διαταράσσουν το «σχεδιασμό» του σώματος για την ανάπτυξη του εγκεφάλου. Οι εγκέφαλοι των γυρίνων που προέκυψαν ήταν μικρότεροι ή ακόμα και ανύπαρκτοι και ο εγκεφαλικός ιστός αναπτύχθηκε εκεί που δεν έπρεπε.

Σε αντίθεση με προηγούμενα πειράματα με εφαρμοσμένο ηλεκτρισμό που απλώς παρείχαν κατευθυντικές ενδείξεις στα κύτταρα, «στην εργασία μας, γνωρίζουμε τι έχουμε τροποποιήσει - δυναμικό ηρεμίας - και γνωρίζουμε πώς ενεργοποιεί αποκρίσεις:αλλάζοντας τον τρόπο με τον οποίο τα μικρά μόρια σηματοδότησης εισέρχονται και εξέρχονται από τα κύτταρα», είπε ο Levin. είπε. Το σωστό ηλεκτρικό δυναμικό επιτρέπει στους νευροδιαβιβαστές να μπαίνουν και να βγαίνουν από πύλες που τροφοδοτούνται από τάση (μεταφορείς) στη μεμβράνη. Μόλις εισέλθουν, μπορούν να ενεργοποιήσουν συγκεκριμένους υποδοχείς και να ξεκινήσουν περαιτέρω κυτταρική δραστηριότητα, επιτρέποντας στους ερευνητές να επαναπρογραμματίσουν την ταυτότητα σε επίπεδο ολόκληρων οργάνων.

Αυτή η εργασία έδειξε επίσης ότι ο βιοηλεκτρισμός λειτουργεί σε μεγάλες αποστάσεις, με τη μεσολάβηση του νευροδιαβιβαστή σεροτονίνη, είπε ο Levin. (Αργότερα πειράματα ενέπλεξαν και τον νευροδιαβιβαστή βουτυρικό.) Οι ερευνητές ξεκίνησαν αλλάζοντας την τάση των κυττάρων κοντά στον εγκέφαλο, αλλά στη συνέχεια πήγαν όλο και πιο μακριά, «επειδή τα δεδομένα μας από προηγούμενες εργασίες έδειξαν ότι οι όγκοι μπορούσαν να ελεγχθούν από ηλεκτρικές ιδιότητες κελιά πολύ μακριά», είπε. "Δείξαμε ότι τα κύτταρα σε απόσταση έπαιξαν ρόλο και για την ανάπτυξη του εγκεφάλου."

Τότε ο Levin και οι συνεργάτες του αποφάσισαν να ανατρέψουν το πείραμα. Μπορεί ο εγκέφαλος να έχει, αν όχι ολόκληρο σχέδιο, τότε τουλάχιστον κάποιες πληροφορίες μοτίβων για το υπόλοιπο σώμα, ρώτησε ο Levin — και αν ναι, μπορεί το νευρικό σύστημα να διαχέει αυτές τις πληροφορίες βιοηλεκτρικά κατά τα πρώτα στάδια ανάπτυξης ενός σώματος; Κάλεσε την Herrera-Rincon να ετοιμάσει το νυστέρι της.

Αποζημίωση για έναν εγκέφαλο που λείπει

Ο ανεγκέφαλος Xenopus laevis του Herrera-Rincon Οι γυρίνοι μεγάλωσαν, αλλά μέσα σε λίγες μέρες όλοι εμφάνισαν εξαιρετικά χαρακτηριστικά ελαττώματα — και όχι μόνο κοντά στον εγκέφαλο, αλλά τόσο μακριά μέχρι το τέλος της ουράς τους. Οι μυϊκές τους ίνες ήταν επίσης πιο κοντές και το νευρικό τους σύστημα, ειδικά τα περιφερικά νεύρα, μεγάλωναν χαοτικά. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι οι ανωμαλίες του νευρικού συστήματος που επηρεάζουν την κίνηση μπορούν να επηρεάσουν ένα αναπτυσσόμενο σώμα. Ωστόσο, σύμφωνα με τον Levin, οι αλλαγές που παρατηρήθηκαν στο πείραμά τους έδειξαν ότι ο εγκέφαλος βοηθά στη διαμόρφωση της ανάπτυξης του σώματος πολύ πριν ακόμη αναπτυχθεί πλήρως το νευρικό σύστημα και πολύ πριν ξεκινήσει οποιαδήποτε κίνηση.

Το ότι τέτοια ελαττώματα μπορούσαν να φανούν τόσο νωρίς στην ανάπτυξη των γυρίνων ήταν ενδιαφέρον, είπε ο Gil Carvalho, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνια. «Ένας έντονος διάλογος μεταξύ του νευρικού συστήματος και του σώματος είναι κάτι που βλέπουμε πολύ έντονα μετά την ανάπτυξη, φυσικά», είπε. Ωστόσο, τα νέα δεδομένα «δείχνουν ότι αυτή η αντιπαράθεση ξεκινά από την αρχή. Είναι ένα παράθυρο στην αρχή του διαλόγου εγκεφάλου-σώματος, ο οποίος είναι τόσο κεντρικός στη ζωή των περισσότερων σπονδυλωτών όπως τον γνωρίζουμε, και είναι πολύ όμορφος». Τα αποτελέσματα αυξάνουν επίσης την πιθανότητα ότι αυτοί οι νευροδιαβιβαστές μπορεί να δρούν σε απόσταση, πρόσθεσε — διαχέοντας μέσω του εξωκυττάριου χώρου ή πηγαίνοντας από κύτταρο σε κύτταρο με τρόπο αναμετάδοσης, αφού έχουν πυροδοτηθεί από αλλαγές τάσης ενός κυττάρου.

Ο Herrera-Rincon και η υπόλοιπη ομάδα δεν σταμάτησαν εκεί. Ήθελαν να δουν αν θα μπορούσαν να «σώσουν» το αναπτυσσόμενο σώμα από αυτά τα ελαττώματα χρησιμοποιώντας βιοηλεκτρισμό για να μιμηθούν την επίδραση ενός εγκεφάλου. Αποφάσισαν να εκφράσουν ένα συγκεκριμένο κανάλι ιόντων που ονομάζεται HCN2, το οποίο δρα διαφορετικά σε διάφορα κύτταρα αλλά είναι ευαίσθητο στο δυναμικό ηρεμίας τους. Ο Levin παρομοιάζει το φαινόμενο του καναλιού ιόντων με ένα φίλτρο ακονίσματος σε λογισμικό επεξεργασίας φωτογραφιών, καθώς «μπορεί να ενισχύσει τις διαφορές τάσης μεταξύ γειτονικών ιστών που σας βοηθούν να διατηρήσετε τα σωστά όρια. Ενισχύει πραγματικά τις ικανότητες των εμβρύων να θέσουν τα σωστά όρια για το πού υποτίθεται ότι πηγαίνουν οι ιστοί."

Για να κάνουν τα έμβρυα να το εκφράσουν, οι ερευνητές έγχυσαν αγγελιοφόρο RNA για HCN2 σε ορισμένα κύτταρα ωαρίων βατράχου μόλις μερικές ώρες μετά τη γονιμοποίησή τους. Μια μέρα αργότερα αφαίρεσαν τον εγκέφαλο των εμβρύων και τις επόμενες ημέρες, τα κύτταρα του εμβρύου απέκτησαν νέα ηλεκτρική δραστηριότητα από το HCN2 στις μεμβράνες τους.

Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι αυτή η διαδικασία έσωσε τους ανεγκέφαλους γυρίνους από τα περισσότερα από τα συνηθισμένα ελαττώματα. Λόγω του HCN2 ήταν σαν ο εγκέφαλος να ήταν ακόμα παρών, λέγοντας στο σώμα πώς να αναπτυχθεί φυσιολογικά. Ήταν καταπληκτικό, είπε ο Levin, «να δεις πόση σωτηρία μπορείς να πάρεις από την πολύ απλή έκφραση αυτού του καναλιού». Ήταν επίσης, πρόσθεσε, η πρώτη σαφής απόδειξη ότι ο εγκέφαλος ελέγχει την ανάπτυξη του εμβρύου μέσω βιοηλεκτρικών ενδείξεων.

Όπως και με τα προηγούμενα πειράματα του Levin με τον βιοηλεκτρισμό και την αναγέννηση, πολλοί βιολόγοι και νευροεπιστήμονες χαιρέτησαν τα ευρήματα, αποκαλώντας τα «αναζωογονητικά» και «καινοφανή». "Δεν μπορεί κανείς να πει ότι αυτό είναι πραγματικά ένα βήμα προς τα εμπρός επειδή αυτό το έργο ξεφεύγει από την κοινή πορεία", είπε ο Χουάνγκ. Αλλά ένα μόνο πείραμα με τον εγκέφαλο των γυρίνων δεν αρκεί, πρόσθεσε - είναι ζωτικής σημασίας να επαναληφθεί το πείραμα σε άλλους οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένων των θηλαστικών, προκειμένου τα ευρήματα «να θεωρηθούν πρόοδος σε έναν τομέα και να καθιερωθεί γενικότητα». Ωστόσο, τα αποτελέσματα ανοίγουν «έναν εντελώς νέο πεδίο έρευνας και νέο τρόπο σκέψης», είπε.

Η έρευνα του Levin δείχνει ότι το νευρικό σύστημα παίζει πολύ πιο σημαντικό ρόλο στον τρόπο κατασκευής των οργανισμών από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως, δήλωσε ο Min Zhao, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Davis, και ειδικός στη βιοϊατρική εφαρμογή και τη μοριακή βιοφυσική του ηλεκτρικού πεδίου. επιπτώσεις στους ζωντανούς ιστούς. Παρά τα προηγούμενα πειραματικά και κλινικά στοιχεία, "αυτό το έγγραφο είναι το πρώτο που καταδεικνύει με πειστικό τρόπο ότι αυτό συμβαίνει και στο [το] αναπτυσσόμενο έμβρυο."

«Τα αποτελέσματα του εργαστηρίου του Mike καταργούν τα σύνορα, αποδεικνύοντας ότι η ηλεκτρική σηματοδότηση από το κεντρικό νευρικό σύστημα διαμορφώνει την πρώιμη ανάπτυξη», δήλωσε ο Olivier Soriani του Institut de Biologie de Valrose CNRS. "Η βιοηλεκτρική δραστηριότητα μπορεί τώρα να θεωρηθεί ως ένας νέος τύπος εισόδου που κωδικοποιεί τη διαμόρφωση οργάνων, επιτρέποντας έλεγχο μεγάλης εμβέλειας από το κεντρικό νευρικό σύστημα."

Ο Carvalho παρατήρησε ότι η εργασία έχει προφανείς συνέπειες για τη θεραπεία και την πρόληψη αναπτυξιακών δυσπλασιών και γενετικών ανωμαλιών - ειδικά επειδή τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι η παρέμβαση στη λειτουργία ενός μόνο νευροδιαβιβαστή μπορεί μερικές φορές να είναι αρκετή για την πρόληψη αναπτυξιακών προβλημάτων. "Αυτό δείχνει ότι μια θεραπευτική προσέγγιση σε αυτά τα ελαττώματα μπορεί να είναι, τουλάχιστον σε ορισμένες περιπτώσεις, πιο απλή από ό,τι αναμενόταν", είπε.

Ο Levin εικάζει ότι στο μέλλον, μπορεί να μην χρειάζεται να μικροδιαχειριζόμαστε πλήθος συμβάντων σηματοδότησης κυψελών. Αντίθετα, μπορεί να είμαστε σε θέση να χειριστούμε τον τρόπο με τον οποίο τα κύτταρα επικοινωνούν μεταξύ τους ηλεκτρικά και να τα αφήσουμε να διορθώσουν διάφορα προβλήματα.

Ένα άλλο πρόσφατο πείραμα άφησε να εννοηθεί πόσο σημαντικό μπορεί να είναι το βιοηλεκτρικό σήμα του αναπτυσσόμενου εγκεφάλου. Η Herrera-Rincon μούσκεψε έμβρυα βατράχων σε κοινά φάρμακα που είναι συνήθως αβλαβή και στη συνέχεια αφαίρεσε τον εγκέφαλό τους. Τα ναρκωμένα, χωρίς εγκέφαλο έμβρυα ανέπτυξαν σοβαρές γενετικές ανωμαλίες, όπως στραβές ουρές και νωτιαίο μυελό. Σύμφωνα με τον Levin, αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο εγκέφαλος προστατεύει το αναπτυσσόμενο σώμα από φάρμακα που διαφορετικά θα μπορούσαν να είναι επικίνδυνα τερατογόνα (ενώσεις που προκαλούν γενετικές ανωμαλίες). «Το παράδειγμα της σκέψης για τα τερατογόνα ήταν ότι κάθε χημική ουσία είναι είτε τερατογόνο είτε δεν είναι», είπε ο Levin. "Τώρα γνωρίζουμε ότι αυτό εξαρτάται από το πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος."

Αυτά τα ευρήματα είναι εντυπωσιακά, αλλά πολλά ερωτήματα παραμένουν, είπε ο Άνταμ Κοέν, βιοφυσικός στο Χάρβαρντ που μελετά τη βιοηλεκτρική σηματοδότηση στα βακτήρια. «Δεν είναι ακόμη σαφές πώς ακριβώς ο εγκέφαλος επηρεάζει το αναπτυξιακό μοτίβο υπό κανονικές συνθήκες, δηλαδή όταν ο εγκέφαλος είναι άθικτος». Για να λάβουν αυτές τις απαντήσεις, οι ερευνητές πρέπει να σχεδιάσουν πιο στοχευμένα πειράματα. Για παράδειγμα, θα μπορούσαν να αποσιωπήσουν συγκεκριμένους νευρώνες στον εγκέφαλο ή να εμποδίσουν την απελευθέρωση συγκεκριμένων νευροδιαβιβαστών κατά την ανάπτυξη.

Αν και το έργο του Levin κερδίζει αναγνώριση, η έμφαση που δίνει στον ηλεκτρισμό στην ανάπτυξη απέχει πολύ από το να είναι παγκοσμίως αποδεκτή. Η επιγενετική και ο βιοηλεκτρισμός είναι σημαντικά, αλλά και άλλα επίπεδα βιολογίας, είπε ο Zhao. «Δουλεύουν μαζί για να παράγουν τη βιολογία που βλέπουμε». Απαιτούνται περισσότερα στοιχεία για να αλλάξει το παράδειγμα, πρόσθεσε. «Είδαμε μερικά εκπληκτικά και εντυπωσιακά αποτελέσματα σε αυτό το πεδίο βιοηλεκτρισμού, αλλά οι θεμελιώδεις μηχανισμοί δεν έχουν ακόμη κατανοηθεί πλήρως. Δεν νομίζω ότι είμαστε ακόμα εκεί."

Αλλά ο Nuccitelli λέει ότι για πολλούς βιολόγους, ο Levin κάνει κάτι. Για παράδειγμα, είπε, η επιτυχία του Levin στο να προκαλέσει την ανάπτυξη άστοχων ματιών σε γυρίνους απλώς αλλάζοντας τη ροή ιόντων μέσω των τοπικών ιστών «είναι μια καταπληκτική επίδειξη της δύναμης της βιοφυσικής στον έλεγχο του σχηματισμού προτύπων». Οι άφθονες παραπομπές σε περισσότερες από 300 εργασίες του Levin στην επιστημονική βιβλιογραφία - περισσότερες από 10.000 φορές σε σχεδόν 8.000 άρθρα - είναι επίσης "μια μεγάλη ένδειξη ότι το έργο του κάνει τη διαφορά."

Το πέρασμα του χρόνου και οι προσπάθειες άλλων που συνεχίζουν το έργο του Λέβιν θα βοηθήσουν τον σκοπό του, πρότεινε ο Ντέιβιντ Στόκουμ, αναπτυξιακός βιολόγος και επίτιμος κοσμήτορας στο Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα-Πανεπιστήμιο Περντού της Ιντιανάπολης. "Κατά την άποψή μου, οι ιδέες του θα φανούν τελικά σωστές και γενικά αποδεκτές ως σημαντικό μέρος του πλαισίου της αναπτυξιακής βιολογίας."

«Έχουμε επιδείξει μια απόδειξη αρχής», είπε η Herrera-Rincon καθώς ολοκλήρωσε την προετοιμασία ενός άλλου πιάτου Petri γεμάτο με έμβρυα που μοιάζουν με φασόλια. «Τώρα εργαζόμαστε για να κατανοήσουμε τους υποκείμενους μηχανισμούς, ειδικά το νόημα:Ποιο είναι το πληροφοριακό περιεχόμενο των πληροφοριών που σχετίζονται με τον εγκέφαλο και πόση μορφογενετική καθοδήγηση παρέχει;» Ξεπλύθηκε από το νυστέρι και έβγαλε τα γάντια και το παλτό του εργαστηρίου. "Έχω ένα εκατομμύριο πειράματα στο μυαλό μου."