ریشه های دوگانه مغز انسان؛ رازی برای تکامل و درمان

یک معمای ساده آزمایشگاهی، داستانی بزرگ درباره خاستگاه ما را آشکار کرد. دانشمندان دانشگاه استنفورد هنگام تلاش برای پرورش سلول‌های بنیادی مغز در ظروف آزمایشگاهی، با واقعیتی سرسخت روبه‌رو شدند: سلول‌هایی که قرار بود به پس‌مغز تبدیل شوند، مانند پیش‌سازهای پیش‌مغز رفتار نمی‌کردند. یکی به‌راحتی تکثیر می‌شد، اما دیگری کند پیش می‌رفت، مقاومت نشان می‌داد و سپس رازی عمیق‌تر درباره معماری مغز و تکامل آن را فاش کرد.

آغازی دوپاره که از مراحل نخست رشد نوشته شده است

مشاهده دقیق جنین‌ها در مرحله گاسترولاسیون، یعنی زمانی که طرح کلی بدن شکل می‌گیرد، نشان داد که دو گروه متمایز از سلول‌ها تقریبا از همان ابتدا از یکدیگر جدا می‌شوند. به‌جای آنکه نواحی آینده بخش‌های قدامی و خلفی مغز از یک جمعیت والد واحد و تمایزنیافته پدید بیایند، این دو ناحیه به دودمان‌های سلولی متفاوتی بازمی‌گردند. نشانگرهای ژنتیکی و اپی‌ژنتیکی در این دو جمعیت به شیوه‌ای متفاوت بسته‌بندی شده‌اند و آن‌ها را در مسیرهای رشدی جدا از هم قرار می‌دهند.

به بیان ساده، یک گروه سلولی برای ساخت پیش‌مغز برنامه‌ریزی شده است، در حالی که گروهی دیگر به‌طور اختصاصی مسیر پس‌مغز را دنبال می‌کند. این برنامه‌ها صرفا یک تمایل زیستی نیستند. آن‌ها نقشه‌های مولکولی‌اند که در کروماتین و شبکه‌های بیان ژن جای گرفته‌اند و سرنوشت سلول را در مسیرهایی بدون تلاقی هدایت می‌کنند. همین الگو معمای آزمایشگاه را توضیح می‌دهد: دستورالعمل‌هایی که برای سلول‌های بنیادی پیش‌مغز بهینه شده‌اند، نمی‌توانند پیش‌سازهای پس‌مغز را به همان مسیر بکشانند، زیرا این سلول‌ها دستورهای تنظیمی متفاوتی با خود دارند.

چرا این طراحی باستانی امروز اهمیت دارد

کارآگاهان تکامل سپس نگاه خود را به گذشته‌ای دورتر بردند. دستگاه‌های عصبی جفت‌مانند مشابهی در خویشاوندان دور، مانند کرم‌های بلوطی، دیده می‌شود؛ جانوران دریایی که با مهره‌داران نیایی مشترک و بسیار کهن دارند. نتیجه شگفت‌انگیز است: طرح دو بخشی معماری عصبی احتمالا دست‌کم به نیم میلیارد سال پیش بازمی‌گردد. با گذر زمان، این سامانه‌های جداگانه به اندامی واحد و یکپارچه تبدیل شدند، اما خاستگاه دوگانه اولیه هنوز در سلول‌های ما قابل ردیابی است.

از نظر عملکردی، این تقسیم‌بندی کاملا منطقی است. پس‌مغز که در پایه جمجمه قرار دارد، عملکردهای خودکار و حیاتی مانند ضربان قلب، ریتم تنفس و چرخه‌های خواب را هماهنگ می‌کند. میان‌مغز و پیش‌مغز به شناخت عالی اختصاص دارند؛ از جمله زبان، استدلال و تفکر انتزاعی. با وجود آغاز جداگانه، این دو سامانه به‌شدت به هم پیوند خورده‌اند و همه چیز را از بازتاب‌های ساده تا تصمیم‌گیری آگاهانه هماهنگ می‌کنند.

این پژوهش که در نشریه نیچر نوروساینس منتشر شده، فراتر از یک روایت تکاملی است. تیم استنفورد با رمزگشایی از اینکه سلول‌های پس‌مغز چگونه به‌طور منحصربه‌فرد تعیین هویت می‌شوند، روشی برای تولید نورون‌های حرکتی نیرومند پس‌مغز از سلول‌های بنیادی انسانی در آزمایشگاه توسعه داد. این نخستین بار است که پژوهشگران توانسته‌اند این نورون‌های حرکتی تحتانی را با کارایی بالا در شرایط آزمایشگاهی تولید کنند؛ گامی که ارزش بالینی روشنی دارد.

نورون‌های حرکتی تحتانی از اهداف اصلی در اختلالاتی مانند اسکلروز جانبی آمیوتروفیک و آتروفی عضلانی نخاعی هستند. دسترسی به منبعی قابل اعتماد از این سلول‌ها، راه را برای مدل‌های دقیق‌تر بیماری، غربالگری بهتر داروها و در نهایت پژوهش‌های درمانی مبتنی بر سلول باز می‌کند. اگر پیش‌مغز و پس‌مغز واقعا از دستورنامه‌های رشدی متفاوتی پیروی کنند، رویکردهای کشت اختصاصی برای پیشرفت در پزشکی ترجمانی ضروری خواهد بود.

پژوهشگر ارشد این مطالعه گفت: «چیزی که در ابتدا شبیه یک مزاحمت فنی به نظر می‌رسید، به پنجره‌ای رو به گذشته تکاملی ما تبدیل شد. شناخت خاستگاه دوگانه به ما امکان داد دستورهای کار با سلول‌های بنیادی را بازنویسی کنیم و سرانجام نورون‌هایی را که به آن‌ها نیاز داشتیم، پرورش دهیم.»

گام‌های بعدی شامل نقشه‌برداری از کلیدهای مولکولی دقیقی است که یک سلول را در سرنوشت پیش‌مغزی یا پس‌مغزی قفل می‌کنند، و نیز بررسی اینکه آیا سلول‌های بنیادی مشتق‌شده از بیماران، هنگامی که در مسیر پس‌مغز تمایز می‌یابند، ویژگی‌های بیماری را دقیق‌تر بازسازی می‌کنند یا نه. این کشف، نگاه دانشمندان علوم اعصاب به رشد مغز را دگرگون می‌کند و ابزارهای تازه‌ای برای مقابله با بیماری‌های تحلیل‌برنده عصبی در اختیار آن‌ها می‌گذارد.

پیامدها

تیتر اصلی هم ساده است و هم عمیق: مغز انسان از نظر رشدی اندامی تک‌جزئی نیست. دو سامانه باستانی آن ردپایی ژنتیکی بر جا گذاشته‌اند که برای تکامل، زیست‌شناسی پایه و پزشکی اهمیت دارد. پژوهشگران اکنون نقشه روشن‌تری برای پرورش نورون‌های گریزان پس‌مغز در اختیار دارند، و همین شفافیت می‌تواند روند توسعه درمان‌ها برای اختلالاتی را که این سلول‌ها را هدف می‌گیرند، سرعت بخشد.