برای دههها، مدل غالب این بود که کل مغز از یک جمعیت سلول پیشساز اولیه رشد میکند. بر اساس این دیدگاه، مغز جلویی، مغز میانی و مغز عقبی همگی به یک نقطه شروع تکاملی بازمیگردند.
یافتههای جدید تصویری بسیار متفاوت را نشان میدهند. محققان دریافتند که مغز انسان ظاهراً دو سیستم عصبی باستانی را ترکیب میکند. یکی از این سیستمها ساختارهایی را ایجاد میکند که مسئول عملکردهای حیاتی مانند تنفس و کنترل ضربان قلب هستند. دیگری مناطقی را تولید میکند که با تواناییهایی مانند زبان، ریاضیات، تفکر انتزاعی و تأمل در وجود خودمان مرتبط هستند.
این کشف همچنین ممکن است یک مشکل دیرینه در علوم اعصاب را توضیح دهد: چرا محققان در کشت برخی از سلولهای مغزی در آزمایشگاه با مشکلات زیادی مواجه بودهاند. این میتواند فرصتهای جدیدی را برای بررسی بیماریهای مربوط به ساقه مغز، از جمله آتروفی عضلانی نخاعی (SMA) و اسکلروز جانبی آمیوتروفیک (ALS یا بیماری لو گهریگ) ایجاد کند.
دکتر کایل لوه، دانشیار زیستشناسی تکوینی، گفت: «ما برای اولین بار نشان دادیم که جلوی مغز از یک سلول پیشساز کاملاً متفاوت با پشت مغز نشأت میگیرد.» او افزود: «کشف ما به این معنی است که اکنون میتوانیم نورونهای پشت مغز، یعنی مغز عقبی، را در یک ظرف پتری کشت دهیم و عملکردهای آنها را مطالعه کنیم.»
این یافتهها در تاریخ ۱۸ سپتامبر در مجله Nature Neuroscience منتشر خواهند شد. لوه نویسنده ارشد این مقاله است. دانشجویان کارشناسی ارشد، کارولین داندس و ریان جوکای، نویسندگان همکار اول این تحقیق هستند.
دو منشأ تکوینی مغز
مغز بزرگسالان به سه منطقه اصلی تقسیم میشود: مغز جلویی، مغز میانی و مغز عقبی. مغز جلویی بسیاری از تواناییهایی را که مردم بیشتر با تفکر پیچیده مرتبط میدانند، از جمله زبان، آگاهی و استدلال انتزاعی، پشتیبانی میکند.
در مقابل، مغز عقبی در قسمت پشتی جمجمه قرار دارد و اغلب به آن ساقه مغز گفته میشود. این بخش به کنترل فرآیندهای خودکار ضروری برای بقا، از جمله تنفس، خواب، تنظیم ضربان قلب و گرسنگی کمک میکند. نورونهای مغز عقبی همچنین عضلات صورت، زبان و گلو را که برای صحبت کردن و بلعیدن مهم هستند، هدایت میکنند.
با وجود نقش حیاتی مغز عقبی، دانشمندان دههها برای ایجاد نورونهای مغز عقبی انسان در آزمایشگاه تلاش کردهاند. این محدودیت مطالعه بیماریهای جدی مربوط به ساقه مغز، از جمله آتروفی عضلانی نخاعی و اسکلروز جانبی آمیوتروفیک دانلود بازی جدید را بسیار دشوارتر کرده است.
SMA یکی از علل اصلی ژنتیکی مرگ در کودکان زیر ۱ سال است. ALS اغلب بین سنین ۴۰ تا ۷۰ سالگی تشخیص داده میشود و هم مغز جلویی و هم مغز عقبی را تحت تأثیر قرار میدهد. در هر دو بیماری، نورونهای خاص مغز عقبی به تدریج از کار میافتند. بیماران در نهایت ممکن است توانایی بلع را از دست بدهند، که خطر ذاتالریه را در صورت ورود غذا یا مایع به ریهها افزایش میدهد، و بعداً ممکن است توانایی تنفس را نیز از دست بدهند.
تقسیمی که در اوایل تکوین آغاز میشود
بینش کلیدی زمانی به دست آمد که محققان یکی از اولین مراحل تکوین جنینی را بررسی کردند. در طول گاسترولاسیون، ساختار اساسی بدن شروع به شکلگیری میکند.
جوکای و داندس دریافتند که مغز عقبی به عنوان یک شاخه بعدی از مسیر تکوینی که مغز جلویی و میانی را تولید میکند، ظاهر نمیشود. در عوض، از ابتدا مسیر خود را دنبال میکند و به موازات سایر مناطق تکوین مییابد.
برای بررسی این فرآیند، محققان جنینهای موش در حال تکوین را مطالعه کردند و دو جمعیت مختلف از سلولهای پیشساز مغز را شناسایی کردند.
یک جمعیت ژنی به نام Otx2 را بیان میکند و قرار است مغز جلویی و میانی را تشکیل دهد. جمعیت دوم ژنی به نام Gbx2 را بیان میکند و به مغز عقبی تبدیل میشود. محققان دریافتند که این دو جمعیت حتی در اولین مراحل بررسی شده، جدا از هم باقی میمانند و همپوشانی ندارند.
این تمایز زمانی که تیم کروماتین را مطالعه کرد، واضحتر شد. کروماتین مادهای است که DNA را در داخل سلولها بستهبندی میکند و به کنترل اینکه کدام ژنها برای استفاده در دسترس هستند و کدامها غیرقابل دسترس باقی میمانند، کمک میکند.
اکتودرم عصبی قدامی (مغز جلویی و میانی آینده) و اکتودرم عصبی خلفی (مغز عقبی آینده) پیکربندیهای کروماتین اساساً متفاوتی داشتند. این تفاوتها عملاً سلولها را از ابتدا به مسیرهای تکوینی جداگانه متعهد میکرد.
جوکای گفت: «تلاشهای قبلی برای ساخت نورونهای مغز عقبی احتمالاً سعی در تبدیل پیشسازهای مغز جلویی و میانی به سلولهای مغز عقبی داشتند، که مطالعه ما نشان میدهد این کار ممکن نیست.»
این یافته ممکن است توضیح دهد که چرا تلاشهای قبلی برای ساخت نورونهای مغز عقبی بسیار دشوار بود. محققان ممکن است سعی در تبدیل یک نوع سلول پیشساز به سرنوشتی دیگر داشتهاند که هرگز قادر به پذیرش آن نبوده است.
جوکای اظهار داشت: «در زیستشناسی سلولهای بنیادی، مردم همیشه بر ایجاد نوع سلول نهایی، مانند نورون، متمرکز هستند. اما مهم است که از اولین مراحل تکوین جنینی شروع کنیم. توجه دقیق ما به آن نقطه زمانی اولیه به ما امکان داد تا این تقسیم اساسی را در تکوین مغز پیدا کنیم.»
کشت نورونهای مغز عقبی انسان در آزمایشگاه
هنگامی که محققان دریافتند که مغز عقبی از یک مسیر تکوینی جداگانه آغاز میشود، توانستند از این دانش برای حل یک چالش بزرگ آزمایشگاهی استفاده کنند.
برای اولین بار، تیم با موفقیت سلولهای بنیادی پرتوان انسانی (نوعی سلول که میتواند هر سلولی را در بدن انسان ایجاد کند) را به نورونهای حرکتی مغز عقبی کاربردی تبدیل کرد.
این سلولها مانند نورونهای واقعی مغز عقبی رفتار کردند. آنها سیگنالهای الکتریکی معروف به پتانسیل عمل را تولید کردند و پروتئینهای مرتبط با مناطق خاص مغز عقبی را که عضلات صورت و بلع را کنترل میکنند، ساختند.
محققان سپس به تکامل روی آوردند تا ببینند این تقسیم تکوینی تا چه حد به عقب برمیگردد.
الگویی با قدمت بیش از ۵۰۰ میلیون سال
با نگاهی به بیش از ۵۵۰ میلیون سال تاریخ تکاملی، تیم شواهدی از همین آرایش دو منشأ را در مرغها، ماهیهای گورخری و حتی کرمهای بلوطی یافتند. این حیوانات کوچک در کف دریا زندگی میکنند و یک جد مشترک بسیار دور با انسانها دارند.
محققان همچنین خاطرنشان کردند که عروسهای دریایی، که حدود ۶۰۰