در همان هفته‌های نخست رشد جنینی، زمانی‌که هنوز هیچ ناحیهٔ تشخیص‌پذیری در مغز تشکیل نشده، سلول‌های بنیادی (Stem Cells) بدن انسان، فعالیتی پیچیده و حیرت‌انگیز را آغاز می‌کنند: تصمیم‌گیری دربارهٔ اینکه کدام بخش از مغز به چه شکلی رشد کند. پژوهشی تازه نشان داده است که این تصمیم‌گیری، تنها با کمک دو سیگنال شیمیایی – به‌نام «مورفوژن‌ها» (Morphogens) – انجام می‌گیرد: WNT و Sonic Hedgehog.

این دو مولکول سیگنال‌دهنده، نقش نوعی «پلیس راهنمایی مولکولی» را ایفا می‌کنند. آن‌ها به سلول‌ها فرمان می‌دهند که در کدام بخش از بافت مغزی قرار بگیرند، چه ژن‌هایی را فعال کنند و به چه نوعی از سلول‌های عصبی تمایز یابند. پژوهشگران دانشگاه ییل با استفاده از روشی ابتکاری، توانستند نشان دهند که تنها پنج روز مواجهه با این سیگنال‌ها برای آغاز برنامه‌ریزی دقیق مغز انسان کافی‌ست. اما نکتهٔ جالب‌تر این است که پاسخ به این سیگنال‌ها در افراد مختلف – و حتی در سلول‌های گرفته‌شده از یک فرد واحد – متفاوت است.

دستگاهی نو برای شبیه‌سازی رشد مغز: Duo-MAPs

برای بررسی دقیق این فرآیند، پژوهشگران ابزاری با نام Duo-MAPs طراحی کردند؛ مخفف عبارت «الگوی‌سازی کمّی با مورفوژن‌های متقاطع» (Dual Orthogonal-Morphogen Assisted Patterning System). این دستگاه، امکان آن را فراهم می‌کند تا ارگانوئیدهای مغزی (Organoids) مشتق از سلول‌های بنیادی انسان را در معرض دو گرادیان همزمان از مورفوژن‌ها قرار دهند: یکی در راستای محور پس‌سری-پیشانی (Posterior-Anterior) و دیگری در امتداد محور شکمی-پشتی (Ventro-Dorsal).

نتیجهٔ این فرآیند شبیه‌سازی، تولید ساختارهایی است که از نظر تمایز ژنی و ترکیب سلولی، بسیار به مغز جنین انسان شباهت دارند. این ارگانوئیدها می‌توانند الگوهای دقیق رشد نواحی مختلف مغز، مانند قشر مغز (Cortex)، مغز میانی (Midbrain)، ساقهٔ مغز (Hindbrain) و عقده‌های قاعده‌ای (Basal Ganglia) را بازتاب دهند.

تفاوت‌های فردی از سطح ژن تا شکل‌گیری مغز

یکی از دستاوردهای کلیدی این پژوهش، کشف تفاوت‌های پاسخ سلولی به سیگنال‌های WNT و Sonic Hedgehog بود. در برخی نمونه‌ها، سلول‌های بنیادی حساسیت بالایی به WNT داشتند و ژن‌هایی فعال شدند که با رشد نواحی پشتی مغز مرتبط‌اند. در برخی دیگر، حساسیت کمتر به WNT باعث شد رشد به سمت نواحی جلویی مانند قشر مغز متمایل شود.

به همین ترتیب، در پاسخ به سیگنال Sonic Hedgehog نیز دو الگو دیده شد: سلول‌هایی با واکنش بیشتر، به شکل‌گیری شدیدتر در عقده‌های قاعده‌ای منجر شدند؛ در حالی‌که پاسخ ضعیف‌تر به این سیگنال با رشد نواحی‌ای مانند مخچه (Cerebellum) همراه بود.

نکتهٔ شگفت‌انگیز این‌جاست که این تفاوت‌ها نه‌تنها بین افراد مختلف، بلکه حتی در سلول‌های بنیادی مشتق از یک فرد دیده شد. یعنی ژنتیک به‌تنهایی تعیین‌کننده نیست؛ بلکه عوامل اپی‌ژنتیکی (Epigenetic Changes) و جهش‌های پسالِقاحی نیز نقش مهمی ایفا می‌کنند.

کشف درخشان: واکنش‌های ژنتیکی در برابر سیگنال‌های ساده

تحلیل‌های دقیق‌تر نشان داد که ژن‌هایی که در واکنش به مورفوژن‌ها فعال می‌شوند، نقش‌های بسیار متنوعی دارند؛ از جمله تنظیم پاسخ ایمنی، سوخت‌وساز سلولی، تمایز نورونی و رشد لایه‌های عصبی. این یعنی پایه‌گذاری مسیرهای عملکردی مغز، تنها در عرض چند روز و با دو سیگنال ساده، آغاز می‌شود.

پژوهشگران تأکید کرده‌اند که چنین پاسخ‌هایی با دقت و انعطاف‌پذیری بالایی انجام می‌گیرند؛ به‌طوری‌که حتی در صورت تفاوت‌های ژنتیکی یا اپی‌ژنتیکی، مغز همچنان توانایی دارد مسیر رشد خود را تنظیم کند و الگوهای عملکردی سالمی تولید کند. این انعطاف‌پذیری، ویژگی منحصربه‌فرد رشد مغز انسان است که می‌تواند کلید درمان اختلالات نورولوژیک نیز باشد.

از زیست‌شناسی پایه تا درمان‌های آینده

این پژوهش در مرز میان زیست‌شناسی رشد، ژنتیک، و علوم اعصاب قرار دارد و نشان می‌دهد که می‌توان از مدل‌سازی‌های سلولی، به‌سوی شناخت بهتر تفاوت‌های مغزی بین انسان‌ها حرکت کرد. در آینده، ممکن است بتوان از چنین ابزارهایی برای شناسایی زودهنگام اختلالات عصبی یا طراحی روش‌های درمانی شخصی‌سازی‌شده بهره گرفت.

یکی از نویسندگان تحقیق می‌گوید: «دیدن این‌که مغز انسان تنها با دو سیگنال مشخص و در عرض چند روز آغاز به شکل‌گیری می‌کند، و در عین حال، این فرآیند تا چه اندازه انعطاف‌پذیر است، شگفت‌انگیز بود.»

نتیجه‌گیری: مغز ما، آینه‌ای از تفاوت‌های بیولوژیکی ماست

پژوهش اخیر دانشگاه ییل پنجره‌ای نو به درک ریشه‌های فردیت انسان گشوده است. این‌که چگونه سلول‌های بنیادی ما، حتی پیش از شکل‌گیری چهره یا شخصیت، در مسیرهای متفاوتی قرار می‌گیرند؛ و این مسیرها با ترکیبی از میراث ژنتیکی و تغییرات زیستی، مغز منحصربه‌فرد هر انسان را می‌سازند.

در دل این پژوهش، یک پیام ساده نهفته است: درک انسان، باید از ابتدا، از عمق سلول‌ها، از نخستین روزهای زندگی، آغاز شود.

منبع: neurosciencenews