ساخت مغز مینیاتوری در آزمایشگاه؛ معمای سیم‌کشی مغز حل شد!

دانشمندان با بازسازی مدار‌های کلیدی مغز انسان در محیط آزمایشگاه کشف کردند که تالاموس به عنوان یک سازمان‌دهنده مرکزی برای سیم‌کشی قشر مغز عمل می‌کند. این یافته‌ها بینش جدیدی در مورد چگونگی تشکیل شبکه‌های مغزی و دلیل گاهی نادرست شکل گرفتن آنها ارائه می‌دهد.

به گزارش scitechdaily، یک تیم تحقیقاتی در ژاپن با استفاده از مدل‌های کوچک و چندمنطقه‌ای مغز معروف به اسمبل‌وئید‌ها (Assembloids)، مدار‌های عصبی کلیدی انسان را در محیط آزمایشگاه بازسازی کرده‌اند. این ساختار‌ها از سلول‌های بنیادی پرتوان القایی (iPS) رشد داده شده و چندین منطقه مشابه مغز را در یک سیستم واحد ترکیب می‌کنند. با استفاده از این روش محققان نشان دادند که تالاموس نقش حیاتی در شکل‌دهی مدار‌های عصبی تخصص‌یافته درون قشر مخ انسان ایفا می‌کند.

این مطالعه در مجله معتبر Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America منتشر شده است.

اهمیت مدار‌های عصبی در قشر مخ

قشر مخ محل بسیاری از انواع مختلف نورون‌ها (سلول‌های عصبی) است که باید به آرامی با یکدیگر و با سایر مناطق مغز ارتباط برقرار کنند. این تعاملات توانایی‌های ذهنی ضروری از جمله ادراک، یادگیری و شناخت را پشتیبانی می‌کنند.

در افراد مبتلا به شرایط عصبی-رشدی مانند اختلال طیف اوتیسم (ASD)، این مدار‌های قشری اغلب متفاوت رشد می‌کنند یا به درستی عمل نمی‌کنند. کسب درک روشن‌تری از چگونگی شکل‌گیری این شبکه‌های عصبی گامی مهم به سمت شناسایی ریشه‌های زیستی چنین اختلالاتی و ایجاد درمان‌های موثرتر است.

تالاموس و رشد مدار‌های مغزی

تحقیقات طولانی‌مدت روی جوندگان نشان داده که تالاموس نقش کلیدی در سازماندهی مدار‌های عصبی قشر مغز دارد. آنچه نامشخص باقی مانده بود چگونگی همکاری تالاموس و قشر مغز برای شکل‌دهی به این مدار‌ها در مغز انسان است.

مطالعه مستقیم این فرآیند در انسان با چالش‌های اخلاقی و فنی بزرگی روبروست، زیرا جمع‌آوری بافت مغز به شدت محدود است. برای دور زدن این موانع دانشمندان به ارگانوئید‌ها روی آورده‌اند؛ ساختار‌های سه‌بعدی رشد یافته از سلول‌های بنیادی که شبیه اندام‌های واقعی هستند.

اگرچه ارگانوئید‌ها مدل‌های مفیدی هستند اما یک ارگانوئید منفرد نمی‌تواند تعامل بین چندین منطقه مغزی را ثبت کند. برای حل این محدودیت محققان از اسمبل‌وئید‌ها استفاده می‌کنند که با ترکیب فیزیکی دو یا چند ارگانوئید ایجاد می‌شوند تا بتوانند با هم تعامل داشته باشند.

فومیتاکا اوساکادا دانشجوی تحصیلات تکمیلی ماساتوشی نیشیمورا و همکارانشان در دانشکده تحصیلات تکمیلی علوم دارویی دانشگاه ناگویا از این استراتژی برای بازسازی تعاملات بین تالاموس و قشر مغز در آزمایشگاه استفاده کردند.

این تیم ابتدا ارگانوئید‌های قشری و تالاموسی جداگانه را از سلول‌های بنیادی پرتوان القایی انسان تولید کردند. سپس این ارگانوئید‌ها با هم ادغام شدند تا اسمبل‌وئید‌ها را تشکیل دهند و به محققان اجازه دادند تا چگونگی ارتباط این دو منطقه در طول رشد را به دقت بررسی کنند.

مدار‌های ساخته‌شده در آزمایشگاه، سیم‌کشی مغز انسان را تقلید می‌کنند

محققان مشاهده کردند که رشته‌های عصبی از ناحیه تالاموس به سمت قشر مغز رشد کردند در حالی که رشته‌های عصبی از قشر مغز به سمت تالاموس گسترش یافتند. این آکسون‌های در حال رشد با یکدیگر سیناپس تشکیل دادند که بسیار شبیه به اتصالات مشاهده‌شده در مغز انسان بود.

برای ارزیابی چگونگی تاثیر این تعاملات بر رشد، تیم بیان ژن در بخش قشری اسمبل‌وئید را با یک ارگانوئید قشری مستقل مقایسه کرد. بافت قشری متصل به تالاموس نشانه‌هایی از بلوغ بیشتر نشان داد که نشان می‌دهد ارتباط تالاموس-قشر مغز از رشد و تکامل قشر مغز پشتیبانی می‌کند.

سیگنال‌های تالاموسی فعالیت عصبی هماهنگ را به راه می‌اندازند

دانشمندان همچنین چگونگی حرکت سیگنال‌های عصبی درون اسمبل‌وئید را بررسی کردند. آنها دریافتند که فعالیت به صورت الگو‌های موج‌شکل از تالاموس به قشر مغز حرکت می‌کند و شبکه‌های هماهنگی در سراسر نورون‌های قشری ایجاد می‌کند.

سپس تیم فعالیت را در سه زیرگونه اصلی نورون‌های تحریکی قشر مغز اندازه‌گیری کردند: نورون‌های درون‌مخ‌پوشی (IT)، نورون‌های هرمی-مسیری (PT) و نورون‌های قشری-تالاموسی (CT). این کار به آنها اجازه داد تعیین کنند کدام نورون‌ها در فعالیت هماهنگ دخیل هستند.

سیگنال‌دهی هماهنگ در نورون‌های PT و CT شناسایی شد که هر دو projection (زائده‌های بلند) خود را به سمت تالاموس می‌فرستند. نورون‌های IT همان رفتار هماهنگ را نشان ندادند. این نتایج حاکی از آن است که ورودی تالاموسی به طور انتخابی انواع خاصی از نورون‌ها را تقویت می‌کند و به آنها کمک می‌کند تا شبکه‌های هماهنگ تشکیل دهند و به بلوغ عملکردی درون اسمبل‌وئید برسند.

پلتفرمی جدید برای مطالعه اختلالات مغزی

با بازسازی موفقیت‌آمیز مدار‌های عصبی انسان با استفاده از اسمبل‌وئید‌ها تیم تحقیقاتی یک سیستم جدید و قدرتمند برای مطالعه چگونگی شکل‌گیری عملکرد و تنوع مدار‌های مغزی در انواع مختلف سلول‌ها توسعه داده است.

اوساکادا بر تاثیر گسترده این کار تاکید کرد و گفت: ما با بازتولید مغز انسان، پیشرفت قابل توجهی در رویکرد ساخت‌گرایانه برای درک آن داشته‌ایم. ما معتقدیم این یافته‌ها به تسریع کشف مکانیسم‌های اساسی اختلالات عصبی و روانپزشکی و همچنین توسعه درمان‌های جدید کمک خواهد کرد.

این تحقیق گامی مهم در مسیر درک اساسی‌ترین راز‌های مغز یعنی چگونگی سیم‌کشی خودش و ارائه مدلی ارزشمند برای آزمون درمان‌های آینده برای بیماری‌های عصبی محسوب می‌شود.

انتهای پیام/