مغز انسان: دو سیستم عصبی مستقل که در هم ادغام شده‌اند

مقدمه

مغز انسان اغلب به عنوان یک اندام یکپارچه و هماهنگ شناخته می‌شود؛ اندامی که تمام تجربیات، افکار و حرکات ما را کنترل می‌کند. اما یافته‌های یک پژوهش جدید در دانشگاه استنفورد، این تصور را به چالش می‌کشد. بر اساس مطالعه‌ای که در سپتامبر در مجله Nature Neuroscience منتشر شد، بخش جلویی و بخش عقبی مغز از دو جمعیت سلولی کاملاً متمایز منشأ می‌گیرند که در طول تکامل به هم فشرده شده‌اند تا ظاهر یک اندام واحد را ایجاد کنند.

این ایده که مغز از دو سیستم عصبی مجزا تشکیل شده است، نه تنها درک ما از رشد مغز را دگرگون می‌کند، بلکه ممکن است توضیح دهد چرا دانشمندان تاکنون در تولید برخی انواع نورون‌های مغزی در آزمایشگاه با دشواری مواجه بوده‌اند. در ادامه، به بررسی جزئیات این کشف، سازوکار آن و پیامدهای آن برای آینده علوم اعصاب می‌پردازیم.

دو مسیر رشدی متمایز

مغز انسان به سه ناحیه اصلی تقسیم می‌شود: مغز پیشین (Forebrain)، مغز میانی (Midbrain) و مغز پسین (Hindbrain). مغز پیشین شامل نیمکره‌های مغزی است و در فرآیندهای شناختی عالی مانند زبان، برنامه‌ریزی و تفکر انتزاعی نقش دارد. مغز میانی، بالاترین بخش ساقه مغز، به عنوان مرکز رله اطلاعات حسی و کنترل حرکت عمل می‌کند. مغز پسین نیز شامل بخش تحتانی ساقه مغز و ساختارهای دیگر است و در هماهنگی حرکت و تنظیم عملکردهای حیاتی مانند تنفس، خواب و ضربان قلب نقش دارد.

تیم پژوهشی به سرپرستی کایل لو، استاد زیست‌شناسی تکوینی در دانشگاه استنفورد، مراحل اولیه رشد جنینی در موش‌های آزمایشگاهی را بررسی کردند. آنها بر مرحله گاسترولاسیون (Gastrulation) تمرکز کردند؛ زمانی که سلول‌ها شروع به سازماندهی به ساختارهایی می‌کنند که بعداً اندام‌های مختلف را تشکیل می‌دهند. پژوهشگران دو جمعیت متمایز از سلول‌های نابالغ را شناسایی کردند که بعداً به بافت عصبی از جمله مغز تبدیل می‌شوند.

یک جمعیت سلولی ژنی به نام Otx2 را بیان می‌کرد که به هدایت رشد اولیه مغز پیشین و میانی کمک می‌کند. جمعیت دوم ژنی به نام Gbx2 را بیان می‌کرد که در رشد مغز میانی و پسین نقش دارد. اگرچه عملکرد این ژن‌ها از قبل شناخته شده بود، اما بیان متمایز آنها در این دو گروه سلولی برای اولین بار در این پژوهش آشکار شد. این جمعیت‌های سلولی در طول رشد به بافت عصبی کامل تبدیل شدند و به جای همپوشانی، متمایز باقی ماندند.

شواهد اپی‌ژنتیکی و کروماتین

تیم پژوهشی همچنین کروماتین (Chromatin) را بررسی کرد؛ ساختار مولکولی که DNA را درون هسته سلول بسته‌بندی می‌کند و تنظیم می‌کند کدام ژن‌ها در دسترس سلول باشند. آنها دریافتند که دو جمعیت سلولی پیکربندی‌های کروماتینی متفاوتی دارند که این ایده را تقویت می‌کند که آنها مسیرهای رشد جداگانه‌ای را طی می‌کنند. این تفاوت اپی‌ژنتیکی ممکن است توضیح دهد چرا تلاش‌های قبلی دانشمندان برای تولید نورون‌های پیاز مغز (Hindbrain) در آزمایشگاه عمدتاً ناموفق بوده است.

ریyan جوخای، دانشجوی تحصیلات تکمیلی در آزمایشگاه لو، در این باره می‌گوید: «تلاش‌های قبلی برای ساخت نورون‌های پیاز مغز احتمالاً سعی داشتند پیش‌سازهای مغز پیشین و میانی را به سلول‌های پیاز مغز تبدیل کنند، که مطالعه ما نشان می‌دهد غیرممکن است.» به بیان دیگر، سلول‌های پیش‌ساز مغز پیشین و میانی نمی‌توانند به سادگی به نورون‌های پیاز مغز تبدیل شوند، زیرا آنها از دو دودمان سلولی کاملاً متفاوت هستند.

کاربردهای درمانی: تولید نورون‌های حرکتی

با استفاده از اطلاعات به دست آمده، پژوهشگران توانستند سلول‌های بنیادی انسانی را به نورون‌های حرکتی عملکردی پیاز مغز هدایت کنند. این نورون‌ها پروتئین‌های مشخصه نواحی پیاز مغز را تولید کردند که در کنترل عضلات صورت و عضلات دخیل در بلع نقش دارند. این دستاورد از آن جهت اهمیت دارد که در بیماری‌های عصبی مانند آتروفی عضلانی نخاعی (Spinal Muscular Atrophy) و اسکلروز جانبی آمیوتروفیک (ALS)، نورون‌های حرکتی تحلیل می‌روند و بیماران توانایی بلع، صحبت کردن و تنفس مستقل را از دست می‌دهند.

کایل لو در این باره می‌گوید: «ما نمی‌توانیم نورون‌های حرکتی زنده را از پیاز مغز بیمار نمونه‌برداری کنیم تا ببینیم این بیماری‌ها چگونه به آنها حمله می‌کنند. رشد این نورون‌های حرکتی در ظرف آزمایشگاه راهی برای بررسی این بیماری‌ها به ما می‌دهد.» تیم پژوهشی قصد دارد از این یافته‌ها برای مطالعه این بیماری‌ها و شناسایی درمان‌های جدید استفاده کند.

ریشه‌های تکاملی باستانی

این کشف فقط به رشد مغز انسان محدود نمی‌شود. پژوهشگران بررسی کردند که آیا این دو مسیر رشدی منحصر به انسان است یا نشان‌دهنده یک آرایش تکاملی بسیار قدیمی‌تر است. آنها به داده‌های منتشرشده قبلی درباره گونه‌های دیگر از جمله ماکاک (Macaca)، ماهی گورخری (Danio rerio) و مرغ خانگی (Gallus gallus domesticus) روی آوردند و دوباره دو جمعیت سلولی متمایز را یافتند که دو ژن کلیدی را بیان می‌کردند.

حتی در کرم بلوط (Acorn Worm)، یک بی‌مهره دریایی که تکامل آن حدود ۵۵۰ میلیون سال پیش از مهره‌داران جدا شد، آنها دوباره این دو گروه متمایز سلولی را پیدا کردند. آنا دی کوزمو، استاد زیست‌شناسی در دانشگاه ناپل فدریکو دوم ایتالیا که در این مطالعه شرکت نداشت، می‌گوید: «کشف استنفورد ثابت می‌کند که تبار عمیق مغز مهره‌داران اساساً ماژولار است. جدایی رشدی بین دودمان قدامی (مغز پیشین/میانی) و دودمان خلفی (مغز پسین) به طور قابل ردیابی باستانی است.»

تیم لو حدس می‌زند که این مسیرهای رشدی که در رحم دیده می‌شوند، ممکن است نشان دهند که این دو جمعیت سلولی زمانی به دو سیستم عصبی جداگانه تعلق داشتند. لو می‌گوید: «در ادامه تکامل، این دو سیستم عصبی ممکن است به هم فشرده شده باشند تا ظاهر یک مغز یکپارچه را ایجاد کنند.» با این حال، این مطالعه دقیقاً مشخص نمی‌کند که این دو مسیر چه زمانی پدیدار شدند یا چگونه ادغام شدند. لو تأکید می‌کند: «مهم است که تأکید کنم این فقط یک ایده است و ممکن است با اطلاعات بیشتر تغییر کند.»

جمع‌بندی

این پژوهش نشان می‌دهد که مغز انسان، با تمام پیچیدگی‌اش، ممکن است حاصل ادغام دو سیستم عصبی متمایز باشد که در طول صدها میلیون سال تکامل به هم پیوسته‌اند. این یافته نه تنها درک ما از رشد مغز را عمیق‌تر می‌کند، بلکه راه را برای تولید سلول‌های عصبی مورد نیاز در مطالعه بیماری‌هایی مانند ALS هموار می‌سازد. همانطور که لو اشاره می‌کند، این ایده هنوز در مراحل اولیه است و ممکن است با پیشرفت علم تغییر کند، اما بدون شک افق‌های تازه‌ای را برای پژوهشگران علوم اعصاب باز کرده است.