قبل از تولد، مغز انسان از طریق مجموعهای عظیم از انتخابهای سلولی ساخته میشود. در مرکز این فرآیند، گلیای شعاعی قرار دارند؛ نوعی خاص از سلولهای بنیادی که به ایجاد بسیاری از ویژگیهایی که مغز انسان را متمایز میکند، کمک میکنند.
این سلولها تعداد زیادی از نورونها و سلولهای پشتیبانیکنندهای را تولید میکنند که قشر مغز، ناحیهای از مغز که در تفکر، حافظه و زبان دخیل است، را تشکیل میدهند. همچنین گلیای شعاعی مسئول انبساط غیرعادی قشر مغز انسان در مقایسه با سایر گونهها دانسته میشوند. اگرچه بیشتر این سلولها قبل از تولد ناپدید میشوند، اما سلولهای مشابهی بعدها در سرطانهای مغزی ظاهر میشوند که دلایل آن هنوز به طور کامل توسط دانشمندان درک نشده است.
آپارنا بادوری، استادیار شیمی زیستی در مدرسه پزشکی دیوید گفن در UCLA، گفت: «گلیای شعاعی خنثیترین سلولهایی هستند که تاکنون وجود داشتهاند.» او افزود: «آنها واقعاً کلیدی برای انسان بودن ما هستند. اما آنها همچنین در مرکز بسیاری از اختلالات نوروتیک و روانپزشکی، به همراه سرطان قرار دارند؛ بنابراین درک چگونگی تصمیمگیری آنها یکی از راهها برای شروع درک چگونگی بروز آن شرایط است.»
دو مطالعه جدید منتشر شده در مجلات Cell و Science اکنون نگاهی نزدیکتر به نحوه اتخاذ این انتخابهای توسعهای توسط گلیای شعاعی ارائه میدهند. بادوری و همکارانش کشف کردند که این سلولها به دو نوع بسیار متفاوت از اطلاعات پاسخ میدهند: نحوه پردازش مواد مغذی و سیگنالهای فیزیکی مستقیم از بخش دیگری از مغز در حال توسعه. این یافتهها با هم، بینش جدیدی درباره چگونگی تولید تنوع قابل توجه انواع سلولی توسط قشر مغز انسان ارائه میدهند.
متابولیسم به هدایت سلولهای بنیادی مغز کمک میکند
در مطالعه Cell، پژوهشگران یک نقشه دقیق از متابولیسم در قشر مغز در حال توسعه ترسیم کردند. این پروژه همکاری بین آزمایشگاه بادوری و آزمایشگاه هتر کریستافک بود و توسط نویسندگان نخست مشترک، جسدینیا میل و خوزه سوتو، هدایت شد.
برای ایجاد این اطلس، تیم بافتهای اهدایی انسان را به همراه ارگانوئیدهای مغزی رشد داده شده از سلولهای بنیادی تحلیل کرد. نتایج آنها به یک نتیجه غیرمنتظره اشاره داشت: متابولیسم صرفاً در پسزمینه از توسعه مغز حمایت نمیکند. بلکه میتواند به طور فعال بر انواع سلولهای تولید شده تأثیر بگذارد.
پژوهشگران کشف کردند که گلیای شعاعی به شدت به مسیر پنتوز فسفات، یک فرآیند متابولیک که از گلوکز برای ساخت مواد مورد نیاز سلولهایی که به سرعت تقسیم میشوند، استفاده میکند، وابسته هستند.
وقتی دانشمندان مقدار گلوکز موجود را کاهش دادند یا در این مسیر اختلال ایجاد کردند، سلولهای بنیادی آنچه را که تولید میکردند تغییر دادند. آنها شروع به تولید نورونهای بازدارنده بیشتر و سایر انواع سلولی کردند که معمولاً در مراحل بعدی توسعه ظاهر میشوند.
بادوری، عضو هر دو مرکز تحقیقات سلول بنیادی براون UCLA و مرکز جامع سرطان جانسون UCLA Health، گفت: «چیزی که شگفتانگیز بود این بود که متابولیسم فقط یک امر غیرفعال نیست که در پسزمینه رخ دهد. بلکه میتواند واقعاً کنترل کند که سلولهای بنیادی چگونه تصمیم میگیرند.»
این نتایج میتواند به دانشمندان کمک کند تا بررسی کنند که تغذیه مادر، اختلالات متابولیک و سایر عوامل محیطی چگونه بر مغز در حال توسعه تأثیر میگذارند. اطلس متابولیک همچنین یکی از دقیقترین منابع تا کنون را برای پژوهشگرانی که متابولیسم را در طول توسعه مغز انسان مطالعه میکنند، فراهم میکند.
یک سیگنال زودهنگام از تالاموس دریافت میشود
مطالعه دوم، که در مجله Science منتشر شده و توسط نویسنده نخست، کلاودیا نگوین، هدایت شد، منبع کاملاً متفاوتی از اطلاعات توسعهای را بررسی کرد. این بار، پژوهشگران بر سیگنالهایcoming از تالاموس، ساختاری در عمق مغز که به انتقال اطلاعات در سراسر سیستم عصبی کمک میکند، تمرکز کردند.
دانشمندان سالهاست که میدانند نورونهای تالاموس پروژکشنهای بلندی را به سمت قشر مغز ارسال میکنند. این الیاف شبیه سیم در نهایت اتصالاتی را با نورونهای قشری خاص ایجاد میکنند. با این حال، مطالعات آناتومیک نشان دادهاند که در انسان، این پروژکشنها مدتها قبل از برقراری آن اتصالات نهایی به قشر مغز میرسند.
این موضوع سوال مهمی را مطرح کرد: چرا این الیاف چنین زود میرسند؟
پژوهشگران UCLA با استفاده از «آsembloid»های مغزی مشتقشده از سلولهای بنیادی انسان، بخشی از پاسخ را یافتند. پروژکشنهای تالاموس در حالی که مغز هنوز در حال توسعه است، به طور فیزیکی با گلیای شعاعی تماس دارند.
آن تماس رفتار سلولهای بنیادی را تغییر داد. این تماس باعث شد آنها نورونهای محرک بیشتری تولید کنند، یعنی نورونهای اصلی حامل سیگنال در قشر مغز. این اثر به ویژه برای نورونهای لایه بالایی قویتر بود که در مغز انسان به طور خاص گسترش یافتهاند.
بادوری گفت: «ما قبلاً میدانستیم که این پروژکشنها بر نحوه توسعه قشر مغز تأثیر میگذارند. آنچه ما به طور خاص کشف کردیم این است که این تأثیر از طریق یک اتصال فیزیکی واقعی بین پروژکشنها و گلیای شعاعی رخ میدهد — نقطهای تماس که تاکنون شناسایی نشده بود و به احتمال زیاد در جوندگان وجود ندارد.»
ژنی مرتبط با اوتیسم وارد معادله میشود
پژوهشگران این تعامل فیزیکی را به NRXN1 متصل کردند، ژنی که قبلاً برای کمک به نورونها در تشکیل اتصالات با یکدیگر شناخته شده بود. جهشها در NRXN1 قبلاً با اختلال طیف اوتیسم مرتبط دانسته شده بودند.
برای بررسی نقش آن، تیم آsembloidها را از سلولهای مشتقشده از بیمارانی که دارای جهش NRXN1 بودند، ایجاد کرد. در این مدلها، سیگنالهای تالاموس تغییر یافته، رفتاری متفاوت از سیگنالهای تولید شده توسط سلولهای بدون آسیب نشان دادند.
آن تغییرات تعادل بین تعداد سلولهای بنیادی و نورونهایی را که تولید میکردند، جابهجا کرد. این نتیجه به پژوهشگران راه ممکنی را برای مطالعه چگونگی تأثیر اختلالات اولیه در توسعه مغز بر تشکیل قشر مغز ارائه میدهد.
مغز در حال توسعه در ارتباط دائمی است
اگرچه این دو مطالعه بر مکانیسمهای بسیار متفاوتی تمرکز داشتند، اما هر دو به یک ایده کلیتر اشاره میکنند. یکی متابولیسم را بررسی کرد، در حالی که دیگری اتصالات عصبی را کاوید، اما هر دو نشان دادند که گلیای شعاعی تصمیمات خود را به صورت انفرادی نمیگیرند. رفتار آنها به طور مداوم توسط سیگنالهای محیط اطرافشان شکل میگیرد.
این مطالعات همچنین نشان میدهند که فناوری ارگانوئید چگونه مطالعه توسعه مغز انسان را به شدت تغییر داده است. حدود یک دهه پیش، دانشمندان روشهای عملی کمی برای بررسی مستقیم نحوه رفتار سلولهای بنیادی عصبی منحصر به فرد انسان داشتند.
امروزه، ارگانوئیدهای مغزی و مدلهای مرتبط به پژوهشگران اجازه میدهند تا ویژگیهای مهم توسعه مغز انسان را در آزمایشگاه بازسازی کنند. این سیستمها همچنین امکان تست سوالاتی را فراهم میکنند که نمیتوان تنها از طریق مدلهای حیوانی به آنها پرداخت.
بادوری امیدوار است که این یافتهها دانشمندان را تشویق کند تا متابولیسم و اتصالات فیزیکی سلولی را به عنوان رانندههای فعال توسعه، نه فرآیندهای پسزمینه، ببینند.
او گفت: «در نهایت، این مطالعات به ما چشماندازی از چگونگی اتخاذ تصمیمات توسط این سلولها میدهند.» او افزود: «درک آن تصمیمات اولین قدم برای درک توسعه طبیعی مغز، آسیبپذیری نسبت به بیماریها و، بالقوه، نحوه عملکرد برنامههای مشابه سلولهای بنیادی در سرطان مغز است.»
این پژوهش توسط مؤسسه ملی بهداشت (NIH)، مؤسسه ملی علوم پایه (NSF)، بنیاد تحقیقات رفتار و مغز، بنیاد آلفرد پی. اسلون، بنیاد روز هیلز، صندوق استر ای. و جوزف کلینگنشتاین، بنیاد سایمونز، ابتکار چان زاکربرگ، شبکه اطلس سلولی ابتکار BRAIN مؤسسه NIH، بنیاد بینالمللی تحقیقات اخلاقی، برنامه آموزش تحقیقات سلول بنیادی مرکز تحقیقات سلول بنیادی براون UCLA، مرکز جامع سرطان جانسون UCLA Health و برنامه محققان آبلون مرکز تحقیقات سلول بنیادی براون UCLA حمایت مالی شد.