دانشمندان می‌گویند شما دو مغز دارید!

پزشکان مدت‌ها مغز را یک اندام واحد در نظر می‌گرفتند، اما پژوهش تازه نشان می‌دهد مغز در واقع از دو اندام متمایز تشکیل شده است: پیش‌مغز و پس‌مغز یا ساقه مغز.

انسان‌ها چه وجه مشترکی با موش‌ها، جوجه‌ها، گورخرماهی‌ها و کرم‌های بلوطی دارند که در رسوبات کف اقیانوس‌ها حفره ایجاد می‌کنند؟ در همه این جانداران، مغز یا ساختاری که از نظر تکاملی معادل آن محسوب می‌شود، از دو جمعیت جداگانه سلولی شکل می‌گیرد که در همان مراحل ابتدایی رشد از یکدیگر جدا می‌شوند.

عصب‌شناسان برای مدت طولانی مغز انسان را اندامی واحد می‌دانستند که از یک مجموعه اولیه سلولی به وجود می‌آید. پژوهش جدید تصویر متفاوتی ارائه می‌دهد و نشان می‌دهد مغز بیشتر شبیه ساختاری مرکب است، زیرا پیش‌مغز و پس‌مغز از ابتدا کاملاً از یک بافت یکسان تشکیل نشده‌اند.

ری‌یان جوخای و کارولین داندس، پژوهشگران دانشگاه استنفورد، سازوکار این فرایند را در موش‌ها بررسی کردند. در جنین موش، سلول‌هایی که در نهایت مغز را می‌سازند، ابتدا حالت پرتوان دارند و می‌توانند به هر نوع سلولی در بدن تبدیل شوند. این وضعیت مدت زیادی ادامه ندارد. چند روز بعد، هم‌زمان با فرایندی موسوم به گاسترولاسیون که طی آن سازمان‌دهی سلول‌ها تغییر می‌کند، قابلیت‌های این سلول‌ها محدودتر می‌شود. سپس سلول‌ها به دو گروه جداگانه تقسیم می‌شوند؛ گروهی برای ساخت پیش‌مغز و گروه دیگر برای ایجاد پس‌مغز اختصاص می‌یابد. عامل اصلی این جدایی کروماتین است؛ مجموعه‌ای از DNA و پروتئین‌ها که مشخص می‌کند یک سلول به کدام ژن‌ها امکان دسترسی و فعال‌سازی دارد.

جوخای و داندس در پژوهشی که اخیراً در Nature Neuroscience منتشر شده، اعلام کردند

ما این فرضیه را مطرح می‌کنیم که مغز اندامی مرکب است که از دو سلول پیش‌ساز با مسیرهای تکوینی محدودشده شکل می‌گیرد؛ این دو پیش‌ساز ممکن است طی ۵۵۰ میلیون سال تکامل، از نیم‌طنابداران تا پستانداران، حفظ شده باشند.

این جدایی در جریان گاسترولاسیون رخ می‌دهد؛ مرحله‌ای بسیار ابتدایی از رشد جنین که طی آن یک لایه منفرد از سلول‌های پوششی دوباره سازمان می‌یابد و جنینی لایه‌لایه شکل می‌گیرد. این ساختار شامل سه لایه زایای اکتودرم، مزودرم و اندودرم است که بعدها بافت‌های مختلف بدن را ایجاد می‌کنند. اکتودرم مسئول شکل‌گیری پوست و دستگاه عصبی است و درون آن، اکتودرم عصبی قرار دارد که برای تشکیل مغز و نخاع اختصاص پیدا می‌کند.

جنین‌شناسان از مدت‌ها قبل می‌دانستند این بافت به دو بخش قدامی و خلفی تقسیم می‌شود، اما عمق واقعی این تفاوت برای آنها مشخص نبود. از نظر ظاهری، سلول‌های دو بخش کاملاً مشابه به نظر می‌رسیدند و به همین دلیل تصور می‌شد این دو ناحیه صرفاً قسمت‌های متفاوت یک اندام در حال رشد هستند.

گروه استنفورد به نتیجه‌ای برعکس رسید. کروماتین موجود در هر ناحیه، یعنی بسته‌بندی DNA و پروتئین‌هایی که تعیین می‌کند کدام ژن‌ها در دسترس باشند، از همان ابتدا به شکلی تنظیم شده که تنها یک مسیر تکوینی را امکان‌پذیر می‌کند. سلول‌های قدامی قادر به ساخت پیش‌مغز هستند و سلول‌های خلفی مسیر تشکیل پس‌مغز را دنبال می‌کنند. بنابراین، شباهت ظاهری این دو گروه سلولی تفاوت عمیق میان آنها را پنهان کرده بود.

کشف تفاوت سلول‌های پیش‌مغز و پس‌مغز

حل این مسئله دشوار بود، زیرا دانشمندان نمی‌توانستند سلول‌های مورد نظر را در آزمایشگاه پرورش دهند. به‌خصوص، پیش‌سازهای پس‌مغز تاکنون در محیط آزمایشگاهی تولید نشده بودند. با این حال، کارولین داندس، ری‌یان جوخای و کایل لو، پژوهشگر ارشد این مطالعه، توانستند هر دو جمعیت سلولی را به‌طور جداگانه تولید کنند و نشان دهند هر گروه عامل رونویسی مخصوص خود را فعال می‌کند. عامل رونویسی پروتئینی است که به بخش‌های مشخصی از DNA متصل می‌شود و فعالیت ژن‌های دیگر را روشن یا خاموش می‌کند.

سلول‌های پوششی که اکتودرم عصبی قدامی را به وجود می‌آورند، ژن Otx2 را فعال می‌کنند؛ ژنی که در اصل دستور ساخت یک عامل رونویسی را در خود دارد. این سلول‌ها در نهایت پیش‌مغز و میان‌مغز را شکل می‌دهند؛ بخش‌هایی که توانایی‌هایی مانند تفکر، یادگیری، استدلال انتزاعی، حافظه، تنظیم هیجانات و پردازش اطلاعات حسی را امکان‌پذیر می‌کنند.

پیش‌سازهای پس‌مغز پیش از این در آزمایشگاه رشد داده نشده بودند. سلول‌هایی که اکتودرم عصبی خلفی را تشکیل می‌دهند، ژن متفاوتی به نام Gbx2 را فعال می‌کنند. عامل رونویسی حاصل از این ژن به مجموعه دیگری از توالی‌های DNA متصل می‌شود. این سلول‌ها در ادامه پس‌مغز را می‌سازند؛ ناحیه‌ای که وظایف حیاتی مانند تنفس، ضربان قلب، فشار خون، خواب و هوشیاری را تنظیم می‌کند. هوشیاری در اینجا به همان سطح پایه بیداری اشاره دارد که سایر فعالیت‌های مغز به آن وابسته‌اند.

این الگوی تقسیم سلولی حتی به دوره‌های بسیار دورتر تکامل بازمی‌گردد. کرم‌های بلوطی که حدود ۵۵۰ میلیون سال پیش آخرین نیای مشترک خود را با انسان داشته‌اند، بافت عصبی خود را به دو ناحیه قدامی و خلفی تقسیم می‌کنند؛ درست مشابه الگویی که در انسان دیده می‌شود. همین موضوع باعث شده پژوهشگران این سازمان‌دهی را از نظر تکاملی حفظ‌شده بدانند.

حتی عروس‌های دریایی که حدود ۶۰۰ تا ۷۰۰ میلیون سال پیش از شاخه تکاملی منتهی به انسان جدا شدند و هرگز مغز واقعی تکامل ندادند، بافت عصبی خود را در دو سوی مخالف بدن متمرکز می‌کنند. در جانورانی که سر دارند، این دو ناحیه در فضای کوچکی کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند و همین فشردگی احتمالاً یکی از دلایلی بوده که این تقسیم‌بندی برای مدت طولانی مورد توجه قرار نگرفته است.

کاربردهای احتمالی برای درمان بیماری‌ها

تولید سلول‌های پیش‌ساز پس‌مغز در آزمایشگاه می‌تواند زمینه را برای توسعه درمان‌های تازه برای بیماری‌های فعلاً درمان‌ناپذیری مانند آتروفی عضلانی نخاعی یا SMA و اسکلروز جانبی آمیوتروفیک یا ALS که با نام بیماری لو گهریگ نیز شناخته می‌شود، فراهم کند. نورون‌های حرکتی که در این بیماری‌ها از بین می‌روند، از همین دودمان سلولی خلفی منشأ می‌گیرند.

پس‌مغز همچنین محل اثر سماگلوتاید و داروهای مرتبط با GLP-1 بر تنظیم اشتهاست. بنابراین، امکان پرورش پیش‌سازهای پس‌مغز در آزمایشگاه می‌تواند فرایند جست‌وجو برای ساخت انواع جدیدی از این داروها را آسان‌تر کند. پژوهشگران در پایان مطالعه نوشتند

جمعیت‌های جداگانه اکتودرم قدامی و خلفی در جریان گاسترولاسیون، در گونه‌های مختلفی از جانوران دوتروستوم، از کرم بلوطی و گورخرماهی گرفته تا جوجه، موش و نخستی‌سانان، شکل می‌گیرند. ما نتیجه می‌گیریم که مفهوم نوظهور وجود دو پیش‌ساز موازی برای مغز، پیامدهای مهمی برای درک رشد، تمایز سلولی و تکامل دارد.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.