پژوهش تازه: «مغزهای مینیاتوری» آزمایشگاهی زمانبندی رشد مغز واقعی را ندارند
مغز در چند مرحله رشد میکند و برای شکلگیری دقیق ارتباطات عصبی، لازم است بعضی سلولها زودتر از سایر سلولها ساخته شوند. بااینحال، پژوهشی تازه نشان میدهد مدلهای مینیاتوری مغز که «ارگانوئید» نام دارند، ممکن است از همین زمانبندی پیروی نکنند.
ارگانوئیدهای مغزی مجموعههایی از نورونهای پرورشیافته در آزمایشگاه هستند که برخی ویژگیهای ساختاری و عملکردی مغز کامل را شبیهسازی میکنند. شماری از دانشمندان از این «مغزهای مینیاتوری» برای بررسی اختلالاتی استفاده میکنند که ممکن است هنگام رشد جنین به وجود بیایند.
سیمون هیپنمایر، عصبشناس موسسه علم و فناوری اتریش و یکی از نویسندگان این پژوهش، توضیح داد که اختلال در فرایندهای دقیق و زمانبندیشده رشد مغز میتواند به بیماریهایی مانند ماکروسفالی و میکروسفالی منجر شود؛ وضعیتهایی که در آنها مغز بهشکل غیرعادی بزرگ یا کوچک رشد میکند.
از آنجا که مطالعه مستقیم این وضعیتها در جنین انسان امکانپذیر نیست، پژوهشگرانی مانند هیپنمایر به ارگانوئیدهای مغزی روی آوردهاند. بااینحال، پژوهش جدیدی که ۱۲ اوت در نشریه نیچر (Nature) منتشر شد، نشان میدهد این ارگانوئیدها احتمالا فاقد برخی مولفههای حیاتی هستند که برای شباهت بیشتر آنها به مغز واقعی ضرورت دارد.
گروه هیپنمایر در آزمایشهای قبلی روی موشها، سلولهای بنیادی سازنده نورون را در مراحل اولیه رشد جنینی ردیابی کرده بود. این سلولها «پیشسازهای گلیال شعاعی» یا RGP نام دارند. پژوهشگران برای انجام این کار، دارویی به موشهای باردار دادند که نشانگرهای فلورسنت را روی سلولهای بنیادی منفرد فعال میکرد. آنها سپس پس از تولد، دودمان سلولهای حاصل از این سلولهای بنیادی را دنبال کردند تا مشخص شود هرکدام چند سلول تولید کردهاند و این تعداد در مراحل مختلف رشد چگونه تغییر میکند.
دانشمندان در پژوهش جدید، دادههای قبلی را بهعنوان مرجع به کار گرفتند و آنها را با ارگانوئیدهای مغزی پرورشیافته از سلولهای بنیادی جنینی موش مقایسه کردند. هدف این بود که مشخص شود آیا توالی رشد در ارگانوئیدها با روند مشاهدهشده در مغز واقعی شباهت دارد یا نه.
نتایج نشان داد ارگانوئیدها همان انواع اصلی سلولی موجود در مغز واقعی را تولید میکنند، اما توالی زمانی رشد در آنها حفظ نمیشود.
در روند طبیعی رشد مغز، پیشسازهای گلیال شعاعی در قشر مخ، یعنی بیرونیترین بافت مغز، ابتدا تقسیم میشوند تا تعدادشان افزایش یابد و سپس تمایز پیدا میکنند. این سلولها در ادامه به نورونها و سلولهای گلیال تبدیل میشوند؛ سلولهایی که از نورونها پشتیبانی میکنند، به آنها مواد مغذی میرسانند و عایقبندیشان را بر عهده دارند. در ارگانوئیدها اما بعضی از این پیشسازها خیلی زود به نورون تبدیل شدند، درحالیکه برخی دیگر همچنان در حال تکثیر بودند.
در شرایط طبیعی، پیشسازهای گلیال شعاعی متعلق به مراحل پایانی رشد، در مقایسه با سلولهای بنیادی مراحل اولیه، سلولهای کمتری تولید میکنند. بااینحال، این سلولها در ارگانوئیدها بدون توجه به مرحله زمانی رشد، شمار بیشتری سلول به وجود آوردند.
پژوهشگران پس از مشاهده این الگوها بررسی کردند که یک پیشساز گلیال شعاعی منفرد در ارگانوئید میتواند چه انواعی از نورون را تولید کند. قشر مغز از شش لایه بافت تشکیل شده است و در شرایط طبیعی، هر پیشساز میتواند هم نورونهای لایههای عمقی را در مراحل ابتدایی رشد و هم نورونهای لایههای بالایی را در مراحل بعدی بسازد. اما در ارگانوئیدها، حدود یکسوم این پیشسازها تنها به یکی از این دو مسیر محدود شدند و پس از آن دیگر قادر به تولید نوع دیگر نورون نبودند.
هیپنمایر یادآوری کرد که مغز واقعی دارای رگهای خونی، ساختارهای خارجسلولی و پیامهای متابولیکی موثر بر رشد است؛ عواملی که در ارگانوئیدها وجود ندارند. پژوهشگران معتقدند این پیامهای بیرونی احتمالا به هماهنگی زمانبندی رشد نورونها و شکلگیری بعدی مدارهای عصبی کمک میکنند.
دنی ژابودون، عصبزیستشناس دانشگاه ژنو که در این پژوهش نقشی نداشت، گفت: «این یافته نشان میدهد چیزی در محیط محلی سلولها در مغز وجود دارد که به شکلگیری نورونها منجر میشود.» البته به گفته او، دانشمندان هنوز درک دقیقی از ماهیت این پیامها ندارند.
ژابودون افزود نورونها برای پیدا کردن یکدیگر باید در زمان و مکان مناسب حضور داشته باشند: «اگر زمانبندی رشد را تغییر دهید، فرصتهای ایجاد اتصال میان نورونها و شکلگیری مدارهای مشخص نیز تغییر میکند.»
برای مشخص شدن مولفههای غایب در ارگانوئیدها، پژوهشگران باید پیامهای خارجی دریافتی نورونها در مغز زنده را شناسایی و بررسی کنند. به گفته هیپنمایر، دانشمندان سپس میتوانند تفاوتهای میان مغز واقعی و ارگانوئیدها را مشخص کنند و از این طریق، شناخت بهتری از روند طبیعی رشد مغز به دست آورند.
هیپنمایر گفت شناسایی این مولفههای مفقودشده میتواند راه را برای افزودن منظم آن پیامها به ارگانوئیدها باز کند؛ اقدامی که به این مدلهای آزمایشگاهی امکان میدهد مغز واقعی را با دقت بیشتری شبیهسازی کنند. این گروه همچنین قصد دارد ارگانوئیدهای مغزی را با استفاده از سلولهای انسانی پرورش دهد و همین پرسشها را در آنها بررسی کند.
او در پایان گفت: «واقعا مشتاقیم بفهمیم این سلولهای بنیادی گلیال شعاعی در یک سامانه انسانی چگونه رفتار میکنند.»
