شناخت مکانیسمهای پیچیده مغز انسان همواره یکی از سختترین چالشهای علوم زیستی بوده است. به دلیل محدودیتهای اخلاقی و فنی، مطالعه مستقیم سلولهای عصبی زنده در لایههای عمقی مغز انسان امکانپذیر نیست. تا سالها دانشمندان برای بررسی اختلالات عصبی متکی به نمونههای بافت پس از مرگ یا مدلهای حیوانی ساده بودند. با این حال، مغز جوندگان تفاوتهای بنیادی با ساختار عصبی انسان دارد و نمونههای آزمایشگاهی پس از مرگ نیز توانایی بازنمایی فعالیتهای دینامیک زنده را ندارند. طی سالهای گذشته، ارگانوئیدهای مغزی یا همان بافتهای سهبعدی ساختهشده از سلولهای بنیادی توانستند پنجره تازهای به سوی درک رشد عصبی باز کنند. اما این ارگانوئیدهای شناور در ظروف آزمایشگاهی فاقد سیستم گردش خون، بازخورد حسی و اتصال به اعضای حرکتی هستند. در میان تلاشهای چند دهه اخیر برای غلبه بر این محدودیتها، پژوهش جدید دانشمندان دانشگاه استنفورد درباره پیوند مغز انسان به موش یک گام کلیدی به شمار میرود.
تیم تحقیقاتی به سرپرستی سرجو پاشکا در این مطالعه راهکاری متفاوتی را برای پرورش بافت عصبی انسان در یک موجود زنده اجرا کردند. آنها ارگانوئیدهای قشر مغز انسان را به بدن نوزادان موش اصلاحشده ژنتیکی که فاقد قشر طبیعی مغز بودند پیوند زدند. این پیوند نه تنها زنده ماند، بلکه طی سه ماه رشد یافت و بیش از 90 درصد از حجم قشر مغزی حیوان را تشکیل داد. بافت انسانی پیوند خورده توانست رگهای خونی موش را برای تغذیه جذب کند، فعالیتهای الکتریکی سازمانیافته نشان دهد و حتی رشتههای عصبی خود را تا نخاع حیوان امتداد دهد. مهمتر از همه، این مدل زنکورتیکال توانست توانایی حافظه کاری موشها را در آزمونهای رفتاری بازسازی کند. این دستاورد چارچوب تازهای برای تحلیل اختلالات عصبی و روانی پیچیده مانند دمنش فرونتوتمبرال، صرع و اوتیسم فراهم میسازد.
برای درک اهمیت این دستاورد، باید ابتدا محدودیتهای ساختاری ارگانوئیدهای آزمایشگاهی بررسی شود. هنگامی که سلولهای بنیادی انسان در مایع مغذی کشت داده میشوند، نورونها شروع به تکثیر و تشکیل ساختارهای سهبعدی میکنند. اما به دلیل عدم وجود رگهای خونی، اکسیژن و مواد غذایی نمیتوانند به لایههای مرکزی این بافتها نفوذ کنند. در نتیجه، ارگانوئیدهای معمولی پس از رسیدن به قطری در حد چند میلیمتر دچار مرگ سلولی در مرکز بافت میشوند. علاوه بر این، نورونها در ظرف آزمایشگاه هیچ ورودی حسی دریافت نمیکنند و هیچ خروجی حرکتی ارسال نخواهند کرد. عدم وجود سیگنالهای محیطی باعث میشود که فرآیند تمایز سلولی در مراحل اولیه باقی بماند و مدارهای پیچیده عصبی هرگز شکل نگیرند.
چرا پیوند مغز انسان به موش در زیستشناسی عصبی اهمیت دارد؟
پژوهشگران در سال 1401 تلاش کردند با پیوند ارگانوئیدهای انسانی به مغز نوزادان موش صحرایی بر محدودیتهای کشت آزمایشگاهی غلبه کنند. در آن آزمایش، بافت انسانی با مغز موش صحرایی یکپارچه شد و به محرکهای حسی پاسخ داد، اما یک مشکل ساختاری بروز کرد. نورونهای انسان نسبت به نورونهای جوندگان نرخ رشد بسیار کندتری دارند. در نتیجه، سلولهای عصبی موش صحرایی فضای موجود در جمجمه را به سرعت اشغال میکردند و مانع از گسترش حجم بافت انسانی میشدند. در آن مدل، بافت انسانی تنها بخش کوچکی از مغز حیوان را تشکیل میداد و امکان بررسی تعاملات گسترده قشری وجود نداشت.
برای حل این چالش، دانشمندان استنفورد از موشهای اصلاحشده ژنتیکی موسوم به موشهای آپالیال استفاده کردند. در این موشها، جهشهای ژنتیکی خاصی باعث میشود که قشر مغز و هیپوکامپ در دوران جنینی شکل نگیرند. این حیوانات پس از تولد فاقد بخش عمده قشر مغز هستند و فضای جمجمه آنها خالی میماند. پژوهشگران بلافاصله پس از تولد، ارگانوئیدهای قشر مغز انسان را به این فضای خالی پیوند زدند. با حذف رقیب طبیعی، بافت انسانی بدون مواجهه با مانع فیزیکی گسترش یافت و مدلی را شکل داد که زنکورتیکال نامیده میشود. این محیط زنده امکان رشد بیسابقه بافت انسانی را فراهم کرد به طوری که رگهای خونی موش به داخل بافت انسانی نفوذ کرده و رگزایی زنده رخ داد.
ادغام بافت انسانی در بدن موش تنها محدود به رگهای خونی نبود. رشتههای عصبی برخاسته از نورونهای انسان به سمت ساختارهای عمقی زیرقشری حرکت کرده و تا ساقه مغز و نخاع موش پیش رفتند. این موضوع نشان داد که نورونهای انسانی توانایی شناسایی مسیرهای هدایتکننده عصبی در بدن جونده را دارند. بررسی فعالیتهای الکتریکی نیز تایید کرد که این نورونها مدارهای فعال تشکیل دادهاند و امواج الکتریکی هماهنگ تولید میکنند. چنین سطح بالایی از اتصال پذیری ثابت میکند که بافت پیوندی تنها یک جسم خارجی ایزوله نیست، بلکه بخشی از سیستم عصبی زنده حیوان شده است. این پدیده شباهت زیادی به فرآیندهایی دارد که طی آن امکان بازسازماندهی شبکه عصبی در سیستمهای زنده فراهم میشود.
تفکیک ساختار سلولی و تمایز نورونهای ویژه در مدل زنکورتیکال
یکی از مسائل کلیدی در تحلیل این پژوهش، میزان بلوغ ساختاری بافت رشدیافته است. آنالیزهای زیستی نشان داد که بافت انسانی حتی پس از گذراندن حدود 6 ماه در بدن موش، از نظر تکاملی در وضعیت غیربالغ باقی مانده است. ساختار این بافت از نظر درجه تمایز و لایهبندی قشری، مشابه قشر مغز انسان در اواسط دوران بارداری بود. این بافت فاقد سازماندهی ششلایهای کاملی است که در قشر مغز انسان بزرگسال دیده میشود. با این حال، ماندن در حالت غیربالغ مانع از تولید انواع خاصی از سلولهای عصبی پیشرفته نشد. نتایج این دستاورد علمی در مجله نیچر انتشار یافته و جزییات ساختار سلولی آن تشریح شده است.
در این بافت پیوندی، دانشمندان موفق به شناسایی نورونهای لایه 5 فراتلسفالیک یا L5-ET شدند. این نورونها مسئول ارسال پیامهای خروجی از قشر مغز به بخشهای پایینتر سیستم عصبی نظیر ساقه مغز و نخاع هستند. حضور این سلولها توضیح میدهد که چرا رشتههای عصبی انسانی توانستهاند تا نخاع موش امتداد یابند. تولید این نورونها نشان میدهد که بافت پیوندی توانایی بازسازی مدارهای حرکتی و ارتباطی بلندمدت را داراست، امری که در ظروف کشت آزمایشگاهی هرگز رخ نمیداد.
علاوه بر سلولهای L5-ET، پژوهشگران سلولهایی شبیه به نورونهای فون اکونومو را نیز در بافت پیوندی پیدا کردند. نورونهای فون اکونومو سلولهای دوکیشکل و درشتی هستند که تنها در بخشهای خاصی از مغز انسان و برخی پستانداران عالی وجود دارند. این نورونها نقش مستقیمی در پردازشهای شناختی پیچیده، تمرکز، هوش اجتماعی و تنظیم رفتارهای هیجانی ایفا میکنند. نکته حائز اهمیت این است که در بیماریهای تخریبکننده عصبی مانند دمنش فرونتوتمبرال، این سلولها جزو نخستین هدفهایی هستند که دچار آسیب و مرگ سلولی میشوند.
در مطالعه سال 1401 که روی موشهای صحرایی انجام شده بود، هیچ اثری از تولید نورونهای فون اکونومو دیده نشد. دانشمندان هنوز دقیقا نمیدانند کدام فاکتورهای محیطی در بدن موشهای آپالیال باعث تحریک تمایز این سلولهای نایاب شده است. احتمال دارد که ایجاد فضای فیزیکی کافی، نفوذ رگهای خونی زنده و اتصال به اهداف دوردست در نخاع، سیگنالهای شیمیایی و مکانیکی خاصی را فعال کرده باشد. شناسایی این عوامل میتواند به دانشمندان کمک کند تا شرایط بازتولید این نورونها را در آزمایشگاه بدون نیاز به پیوند حیوانی شبیهسازی کنند.
تحلیل رفتاری موشها و بازسازی توانایی حافظه کاری
ارزیابی عملکرد شناختی حیوانات حامل بافت انسانی، بخش دیگری از این پژوهش بود. برای سنجش حافظه کاری، دانشمندان از آزمون رفتاری استاندارد ماز Y شکل استفاده کردند. در این آزمون، سه گروه از حیوانات مورد مقایسه قرار گرفتند: موشهای کنترل سالم، موشهای آپالیال بدون پیوند، و موشهای زنکورتیکال پیوند خورده. ماز Y شکل بر پایه غریزه کاوشگری موش عمل میکند، حیوان سالم ترجیح میدهد در هر نوبت وارد شاخهای شود که در مرحله قبل آن را ندیده است. برای انجام درست این تناوب، حیوان باید آخرین مسیر طی شده را در حافظه کوتاهمدت یا همان حافظه کاری خود نگه دارد.
موشهای کنترل سالم در این آزمون با موفقیتی بالاتر از حد شانس عمل کردند که نشاندهنده سلامت حافظه کاری آنها بود. در مقابل، موشهای آپالیال به دلیل عدم برخورداری از قشر مغز و هیپوکامپ، عملکرد بسیار ضعیفی ارائه دادند. رفتارهای این گروه کاملا تصادفی بود و توانایی یادآوری مسیرهای قبلی را نداشتند. اما موشهای زنکورتیکال که بافت قشر مغز انسان در جمجمه آنها رشد کرده بود، به امتیازی مشابه موشهای سالم دست یافتند و عملکرد آنها به شکل قابل توجهی بالاتر از حد شانس ثبت شد. این نتیجه نشان داد پیوند بافت انسانی توانسته است نقص رفتاری ناشی از فقدان قشر مغز را در حیوان جبران کند.
با وجود این نتایج رفتاری، تحلیل دقیق علمی نیازمند احتیاط است. هنوز نمیتوان ادعا کرد که نورونهای انسانی به صورت مستقیم پردازشهای فکری یا تصمیمگیریهای موش را هدایت کردهاند. موشهای زنکورتیکال همچنان اندامهای حسی، ساقه مغز و ساختارهای زیرقشری متعلق به بدن خود را حفظ کردهاند. ممکن است حضور بافت انسانی از طریق تحریک ساختارهای عمقی موش یا ارائه پشتیبانی ساختاری باعث بهبود رفتار شده باشد. برای اثبات نقش مستقیم نورونهای انسان، پژوهشگران باید از روشهای اپتوژنتیک استفاده کنند تا بتوانند با تابش نور فعالیت نورونهای انسانی را موقتا غیرفعال کرده و تغییرات رفتاری لحظهای را ثبت نمایند. چنین رویکردهایی در آینده میتواند به درک بهتر مواردی مانند کاهش خطر آلزایمر و حفظ سلامت شناختی کمک کند.
ارزیابی انتقادی این دستاورد نشان میدهد که نباید دچار برداشتهای نادرست یا بزرگنماییهای رسانهای شد. پیوند بافت عصبی انسان به موش به هیچ وجه به معنای انسانی شدن آگاهی، هوش یا احساسات حیوان نیست. بافت پیوندی فاقد اتصالات پیچیده قشر بالغ انسان است و از نظر ساختاری در مرحله جنینی باقی میماند. علاوه بر این، فرآیند تولید موشهای زنکورتیکال فوقالعاده پیچیده، گرانقیمت و حساس است. نرخ تلفات نوزادان آپالیال بالاست و نگهداری آنها نیازمند شرایط ایزوله و مراقبتهای مداوم زیستی است. بنابراین، این روش در حال حاضر یک ابزار پژوهشی آزمایشگاهی است و نباید آن را به عنوان یک درمان آماده برای بیماران مبتلا به آسیبهای مغزی تلقی کرد.
مسائل اخلاقی مرتبط با پیوند بافت انسانی به حیوانات نیز اهمیت بالایی دارد. پژوهشگران استنفورد برای مدیریت این دغدغهها، تمام مراحل کار را تحت نظارت کمیتههای اخلاق زیستی و حقوقی انجام دادند. نگرانی اصلی درباره احتمال بروز رفتارهای غیرمنتظره یا ویژگیهای شناختی جدید در حیوان بود. ارزیابیهای مداوم رفتاری نشان داد که این موشها هیچ تغییری در رفتارهای پایه نظیر تغذیه، حرکت یا تعاملات اجتماعی نشان ندادهاند و رفتارهای آنها کاملا در چارچوب جوندگان باقی مانده است.
ارزش اصلی مدل زنکورتیکال در فراهم کردن بستری زنده برای بررسی بیماریهای عصبی-تکاملی و تخریبی نهفته است. در بیماریهایی مانند اوتیسم، صرع و دمنش فرونتوتمبرال، اختلالات اولیه در سطح مدارهای سلولی رخ میدهند که شبیهسازی آنها در ظروف آزمایشگاهی غیرممکن است. اکنون دانشمندان میتوانند ارگانوئیدها را از سلولهای بنیادی بیماران مبتلا تولید کرده و روند رشد و تخریب آنها را در بدن موش مشاهده کنند. این روش امکان آزمایش داروها را روی بافت زنده انسانی در یک محیط بیولوژیک واقعی فراهم میسازد. چالش بعدی زیستشناسان، رمزگشایی از سیگنالهای مولکولی است که در بدن موش باعث تمایز نورونهای پیچیدهای مانند فون اکونومو میشوند. یافتن این فاکتورها میتواند مسیر را برای بازسازی کاملتر بافتهای عصبی بدون نیاز به حیوانات واسطه هموار کند.
