تحقیقات پزشکی استنفورد نشان می دهد که مغز انسان دو اندام مجزا است

برای قرن ها، دانشمندان مغز را به عنوان یک عضو واحد و یکپارچه تصور می کردند. اما تحقیقات جدید به رهبری Stanford Medicine نشان می دهد که آنچه ما مغز می نامیم دو اندام مجزا هستند که به طور مستقل در طی صدها میلیون سال تکامل یافته اند.

این کشف مدل غالب رشد مغز را زیر و رو می کند. ده‌ها سال است که محققان این نظریه را پذیرفته‌اند که یک سلول پیش‌ساز منفرد در مراحل اولیه رشد وجود دارد که کل مغز را به وجود می‌آورد. این مدل نشان می‌دهد که تمام قسمت‌های مغز منشا رشدی مشترک دارند.

یافته های تحقیق جدید نشان می دهد که مغز انسان متشکل از دو سیستم عصبی باستانی است که به طرز هوشمندانه ای در کنار هم قرار گرفته اند - بخش ابتدایی تری که ضربان قلب، تنفس و سایر عملکردهای ما را تنظیم می کند و دیگری که ما را به طور مشخص انسان می سازد، قادر به شعر، ریاضیات و تعجب در مورد ریشه های خودمان است.

این کشف می‌تواند به توضیح اینکه چرا دانشمندان دهه‌ها برای رشد انواع خاصی از سلول‌های مغزی در آزمایشگاه تلاش کرده‌اند کمک کند - و راه‌های جدیدی را برای مطالعه بیماری‌های ویرانگر که بر ساقه مغز تأثیر می‌گذارند، مانند آتروفی عضلانی نخاعی (همچنین به عنوان SMA) و اسکلروز جانبی آمیوتروفیک (همچنین به عنوان ALS یا بیماری لو گریگ شناخته می‌شود) باز می‌کند.

دکتر کایل لوه، دانشیار زیست شناسی رشدی، گفت: ما برای اولین بار نشان دادیم که قسمت جلویی مغز از یک سلول مولد کاملا متفاوت نسبت به پشت مغز ناشی می شود. "کشف ما به این معنی است که اکنون می‌توانیم سلول‌های عصبی را از پشت مغز، یعنی مغز عقب، در یک ظرف پتری رشد دهیم و عملکرد آنها را مطالعه کنیم."

این یافته ها در 18 سپتامبر در Nature Neuroscience منتشر شد. لوه نویسنده ارشد است. دانشجویان فارغ التحصیل کارولین داندز و رایان جوخای اولین نویسندگان این تحقیق هستند.

مغز بزرگسالان دارای سه ناحیه اصلی است: مغز جلو، مغز میانی و مغز عقب. مغز جلویی تفکر سطح بالاتر - زبان، آگاهی و استدلال انتزاعی را مدیریت می کند. در مقابل، مغز عقبی که در پشت جمجمه قرار دارد و اغلب ساقه مغز نامیده می‌شود، عملکردهای ضروری و خودکاری را کنترل می‌کند که ما را زنده نگه می‌دارد: تنفس، خواب و تنظیم ضربان قلب و تمایلات گرسنگی. نورون‌های مغز عقب همچنین عضلات صورت، زبان و گلو را کنترل می‌کنند که بر گفتار و بلع تأثیر می‌گذارند.

علیرغم اهمیت حیاتی مغز عقبی، دانشمندان دهه‌ها برای تولید نورون‌های مغز عقب انسان در آزمایشگاه تلاش کرده‌اند. این شکاف تحقیقات در مورد بیماری های مخربی که بر ساقه مغز تأثیر می گذارد، از جمله آتروفی عضلانی نخاعی و اسکلروز جانبی آمیوتروفیک را با مشکل مواجه کرده است.

SMA یکی از علل ژنتیکی اصلی مرگ و میر در کودکان زیر 1 سال است. ALS که اغلب در سنین 40 تا 70 سالگی تشخیص داده می شود، هم مغز جلویی و هم مغز عقبی را درگیر می کند. در هر دو اختلال، برخی از نورون‌های مغز عقب به تدریج از کار می‌افتند و بیمار توانایی بلع را از دست می‌دهد، که می‌تواند باعث ذات‌الریه در هنگام استنشاق غذا یا مایعات به ریه‌ها شود. در نهایت، بیماران توانایی تنفس را از دست می دهند.

موفقیت محققان از مطالعه اولین لحظات رشد جنینی، در مرحله ای به نام گاسترولاسیون، زمانی که بدن برای اولین بار شکل می گیرد، حاصل شد. جوخای و داندز دریافتند که مغز عقبی مسیر رشد جداگانه ای را دنبال می کند و به موازات مسیری است که مغز جلویی و میانی را ایجاد می کند - به جای منشعب شدن از آن.

محققان این موضوع را از بررسی جنین های در حال رشد موش دریافتند. آنها دو سلول پیش ساز مختلف مغز را شناسایی کردند. یکی، که ژنی به نام Otx2 را بیان می کند، قرار است به مغز جلو و مغز میانی تبدیل شود. دیگری که بیانگر ژنی به نام Gbx2 است، متعهد به تشکیل مغز عقبی است. آنها نشان دادند که این دو جمعیت سلولی هرگز با هم همپوشانی ندارند. آنها از همان مراحل اولیه توسعه متقابل هستند.

سپس این تیم بسته بندی DNA یا کروماتین را در این سلول ها بررسی کردند. کروماتین راهی است که سلول ها تعیین می کنند به کدام ژن می توان به راحتی دسترسی پیدا کرد و کدام یک دور از دسترس قرار می گیرند. چیزی که آنها پیدا کردند قابل توجه بود: اکتودرم عصبی قدامی (پیش مغز و مغز میانی آینده) و اکتودرم عصبی خلفی (مغز عقبی آینده) ساختارهای کروماتین اساسا متفاوتی دارند. این تفاوت ها اساسا هر سلول مولد را در سرنوشت مربوطه خود قفل می کند، مانند مسافرانی که در مسیرهای موازی که هرگز عبور نمی کنند.

جوخای گفت: «تلاش‌های قبلی برای ساختن نورون‌های مغز عقب احتمالا تلاش می‌کردند اجداد پیش‌مغز و میانی را به سلول‌های مغز عقب منتقل کنند، که مطالعه ما نشان می‌دهد که امکان‌پذیر نیست.»

این مکاشفه دهه‌ها ناامیدی در این زمینه را توضیح می‌دهد - دانشمندان تلاش می‌کردند یک نوع سلول پیش‌ساز را به دیگری تبدیل کنند که اساسا قادر به تبدیل شدن به آن نیست.

جوخایی گفت: «در زیست‌شناسی سلول‌های بنیادی، مردم همیشه درگیر ایجاد نوع سلول نهایی مانند نورون هستند. "اما مهم است که از مراحل اولیه رشد جنینی شروع کنیم. توجه دقیق ما به آن نقطه اولیه به ما اجازه داد تا این شکاف اساسی در رشد مغز را پیدا کنیم."

محققان با داشتن این دانش، برای اولین بار با موفقیت سلول‌های بنیادی پرتوان انسانی (نوعی سلولی که می‌تواند هر سلولی را در بدن انسان ایجاد کند) را برای تبدیل شدن به نورون‌های حرکتی مغز عقبی در آزمایشگاه با موفقیت تشویق کردند. این نورون‌های رشد یافته در آزمایشگاه، تمام نشانه‌های سلول‌های مغز عقبی معتبر را نشان می‌دهند: آنها امواجی از فعالیت الکتریکی به نام پتانسیل‌های عمل را نشان می‌دهند و پروتئین‌هایی می‌سازند که بخش‌هایی از مغز عقب را که عضلات صورت و بلع را کنترل می‌کنند، شناسایی می‌کنند.

در نهایت، محققان به بیش از 550 میلیون سال از زمان تکاملی نگاه کردند. آنها همان الگوی مغزی دو منشا را در جوجه ها پیدا کردند. گورخرماهی; و به طور قابل توجهی در کرم‌های بلوط، موجودات کوچکی که در کف اقیانوس زندگی می‌کنند و اجداد مشترکی با انسان‌ها دارند. چتر دریایی که حدود 600 تا 700 میلیون سال پیش از انسان جدا شده است، دارای دو سیستم عصبی در انتهای مختلف بدن خود است.

لوه گفت: "تحقیقات ما نشان می دهد که تکامل دو سیستم عصبی موجود را گرفته و آنها را از نظر فضایی به هم نزدیک کرده است." "داشتن مغز به عنوان یک اندام احتمالا کارآمدتر خواهد بود، اما ما به این روش اولیه برای ساختن مغز به عنوان دو قطعه جداگانه تکیه می کنیم."

جوخایی گفت: «از یافته‌هایمان شگفت‌زده شدم، زیرا کلمه «مغز» به یک عضو پیوسته اشاره دارد که احتمالا منشأ منحصر به فردی دارد. اما حتی 500 میلیون سال پیش، این سیستم‌های عصبی مجزا وجود داشتند که اکنون تقریبا به صورت یکپارچه عمل می‌کنند، که بسیار جالب است.

این تحقیق همچنین پیامدهایی برای بررسی درمان‌های SMA، ALS و سایر شرایط مؤثر بر ساقه مغز دارد. تا به حال، مطالعه این بیماری ها تقریبا غیرممکن بوده است، زیرا دانشمندان نمی توانند بافت ساقه مغز را از بیماران زنده بدست آورند. توانایی رشد این نورون‌ها در یک ظرف، فرصت‌های جدیدی را برای درک آنچه اشتباه می‌کند باز می‌کند. حتی یک ارتباط غیرمنتظره با درمان چاقی وجود دارد: مغز عقبی دارای مدارهایی است که گرسنگی را تنظیم می‌کند - دقیقا نحوه عملکرد داروهای کاهش وزن مانند سماگلوتید.

محققان مایلند مطالعات خود را برای تعیین منشاء رشدی نخاع گسترش دهند و بدانند دقیقا چگونه SMA و ALS عملکرد نورون های مغز عقب را به خطر می اندازند.

جوخایی گفت: «اکنون ما مدلی برای درک بهتر این بیماری‌های ویرانگر و تلاش در جهت درمان‌های ترمیمی برای آنها داریم. "این یک مرز جدید بسیار هیجان انگیز در تحقیقات مغز است."

محققان موسسه فناوری کالیفرنیا و دانشگاه کالیفرنیا در سانفرانسیسکو در این مطالعه مشارکت داشتند.

این کار توسط مؤسسه ملی بهداشت پشتیبانی شد (اهداف DP5OD024558، DP2GM146258، R00GM121852، R01DK115728، R01DE027538، T32GM119995، T32GM0037360، T32GM0037360، T32GM0037360، F31DE031154)؛ بنیاد ملی علوم؛ موسسه کالیفرنیا برای پزشکی احیا کننده؛ بنیاد آتروفی عضلانی نخاعی؛ کمک هزینه موسسه تحقیقاتی سلامت مادر و کودک استانفورد؛ مراکز استانفورد بکمن و لودویگ. موسسه سلول های بنیادی سیبل؛ کمک مالی بنیاد استینهارت رید؛ بنیاد خیریه گتسبی؛ موسسه پزشکی هوارد هیوز؛ بنیاد پاکارد؛ موسسه خیریه پیو

اعتمادها؛ بنیاد باکستر؛ برنامه علوم مرزی انسانی؛ و خانواده های ناشناس، فیکل، گیلبرت، و استین هارت رید.