مغزهای رشد یافته در آزمایشگاه، چگونگی جدایش انسان و میمون را آشکار می‌کنند
حدود ۶ میلیون سال پیش، انسان‌ها از شامپانزه‌ها و دیگر میمون‌های بزرگ فاصله گرفتند. گرچه هنوز ارتباط نزدیکی با هم داریم، ولی مغز انسان بسیار متفاوت است و ما را قادر می‌سازد که در عملکردهای پیچیده‌ی زبانی، علم، هنر، اخلاق و دیگر موارد مشارکت کنیم. اما چه چیزی باعث شده که مغز ما چنین قابلیت‌های باورنکردنی را به دست آورد؟
ما می‌دانیم که مغز انسان طی ۶ میلیون سال گذشته ازنظر اندازه رشد چشمگیری داشته است. انسان‌ها درحقیقت پستاندارانی هستند که نسبت‌به اندازه‌ی بدن خود، بزرگ‌ترین مغز را دارند. اما اینکه کدام تغییرات ژنتیکی موجب ایجاد مغزهای بزرگ‌تر و پیچیده‌تر شده است، مدت‌ها است که یک معما باقی مانده است. پژوهشی که به‌تازگی در مجله‌ی Nature منتشر شده، سرنخ‌هایی را در این رابطه فراهم کرده است.
یکی از دلایل اینکه چرا مطالعه‌ی توسعه‌ی مغز نخستی‌ها بسیار دشوار بوده است، این بوده است که تا همین اواخر دانشمندان به بافت زنده و درحال توسعه‌ی مغز دسترسی نداشتند. این همان چیزی است که می‌تواند به ما این امکان را بدهد که تئوری‌های مرتبط با تکامل مغز را به‌طور عملی مورد آزمایش قرار دهیم؛ زیرا اساسا می‌توانیم این موضوع را مشاهده کنیم که مغز چگونه طی زمان در ظروف آزمایشگاهی تکامل پیدا می‌کند و مسیرهای بیولوژیکی را دستکاری کرده و ببینیم که نقش هرکدام از آن‌ها در توسعه‌ی مغز چیست. طی چندین سال گذشته، دانشمندان روی این موضوع کار کرده‌اند که برای پرداختن به پاسخ این سؤال‌ها، چگونه مغز را در آزمایشگاه پرورش دهند. آن‌ها سرانجام در تولید این مدل‌های مغزی که ارگانوئیدهای مغزی نامیده می‌شوند، موفق شده‌اند.
ارگانوئیدهای مغزی انسان توپ‌های کوچکی از سلول‌های مغز انسان هستند که اندازه‌ی آن‌ها حدود یک دانه‌ی خشخاش تا یک دانه نخود است
ارگانوئیدها خوشه‌هایی از سلول‌هایی هستند که خود را در نسخه‌های کوچکی از اندام‌هایی مانند مغز یا کبد سازماندهی می‌کنند. آن‌ها با کشت سلول‌های بنیادی ایجاد می‌شوند که ظرفیت تبدیل شدن به تمام بافت‌های بدن را دارند. سلول‌ها در ژلی کشت می‌شوند که به آن‌ها امکان رشد سه‌بعدی را می‌دهد. این دقیقا همان کاری است که پژوهشگران مطالعه‌ی جدید آن را انجام دادند.
ژنتیک تکامل
سؤال این جاست که چه نوع تغییرات ژنتیکی در تکامل مغز انسان نقش داشته است؟ فقط حدود ۱/۵ درصد توالی DNA ما از ژن‌هایی تشکیل شده است که حاوی دستورالعمل ساخت پروتئین هستند. پروتئین‌ها مولکول‌هایی هستند که بیشتر وظایف درون سلول را انجام می‌دهند و تعیین‌کننده‌ی ساختار و عملکرد سلول هستند. زمانی تصور می‌شد که ۹۸/۵ درصد باقی‌مانده از DNAی ما، توالی‌های زائدی باشند که هدف مشخصی ندارند. اگرچه اکنون می‌دانیم مناطقی از همین DNA نقش مهمی در کنترل بیان ژن‌ها دارد. تعداد تغییرات موجود در مناطق کدکننده‌ی پروتئین آنقدر کم است که نمی‌تواند منشا تفاوت قابل‌توجه بین انسان و دیگر نخستی‌ها را توضیح دهد. درحقیقت، از کل مناطق ژنتیکی که از زمان جدایش انسان از شامپانزه بیشترین تغییرات را داشته‌اند، ۹۲ درصد مناطق با مناطق کدکننده‌ی پروتئین همپوشانی ندارند. پیش‌بینی شده است که حداقل یک سوم از این مناطق در کنترل بیان ژن‌ها نقش داشته باشند.
مدت‌ها این فرضیه وجود داشت که اکثر تفاوت‌های مشاهده‌شده بین مغز میمون‌های بزرگ و مغز انسان ناشی از تغییر در زمان‌بندی و بیان ژن‌ها و نه تغییرات مرتبط با خود ژن‌ها است. بنابراین، بیشتر ژن‌های ما یکسان هستند. تمرکز اصلی مطالعه‌ی جدید، این موضوع بوده است که تفاوت در نحوه‌ی تنظیم ژن‌ها در بین انسان و سایر نخستی‌ها چگونه است. پژوهشگران این کار را با تولید ارگانوئیدهای مغزی با استفاده از سلول‌های بنیادی انسان، شامپانزه و ماکاک انجام دادند و آن‌ها را طی دوره‌ی زمانی چهار ماهه با هم مقایسه کردند. این فرایند، تقلیدی از نحوه‌ی تشکیل مغز در رحم است. ارگانوئیدها از چندین جوانه‌ی در حال رشد از بافت مغز تشکیل می‌شوند که در ابتدا عمدتا از سلول‌های پیش‌ساز عصبی تشکیل شده‌اند و در مراحل بعدی شروع به ساخت نورون‌ها می‌کنند. از نمای بیرون، ارگانوئیدهای مغزی بیشتر شبیه دانه‌های ذرت بو داده‌ی کوچک به‌نظر می‌رسند و به خاطر نبود منبع خون، به اندازه‌ای بیش از ۵ تا ۶ میلی‌متر نمی‌رسند. پژوهشگران دریافتند که مغز انسان نسبت‌به دو نخستی دیگر با سرعت کمتری توسعه پیدا می‌کند. این بلوغ تاخیری مغز انسان معقول به‌نظر می‌رسد، زیرا طی زمان بیشتر، سلول‌هایی که نورون‌ها را می‌سازند، دوره‌ی طولانی‌تری برای گسترش جمعیت خود دارند و نورون‌های بیشتر و درنهایت مغز بزرگ‌تری تولید خواهند کرد.
جمجمه‌ی نخستی‌ها
پژوهشگران همچنین توانستند بیان ژن‌ها را در سلول‌های ارگانوئیدهای مغزی مورد بررسی قرار دهند. آن‌ها با مقایسه‌ی بیان ژن در سلول‌هایی که درجهت تبدیل شدن به قشر مغز قرار داشتند (قشر مغز نقش مهمی در فرایندهای شناختی پیشرفته مانند آگاهی، تفکر، حافظه، زبان و هشیاری دارد)، ۹۸ ژن را شناسایی کردند که بیان آن‌ها در انسان متفاوت بود. اگرچه بیان ژن، کل داستان را نمی‌گوید، ولی نرخ آن درنهایت به‌وسیله‌ی فرایندی به نام تنظیم ژن کنترل می‌شود. پژوهشگران به‌منظور شناسایی مکانیسم‌های تنظیمی احتمالی، مناطقی از DNA را که در مراحل مختلف در سلول‌های خاصی «باز» یا «قابل دسترسی» بودند، شناسایی کردند. این مناطق قابل دسترس DNA دارای پتانسیل تعامل با پروتئین‌ها بوده و می‌توانند بیان ژن را تنظیم کنند.
پژوهشگران با مقایسه‌ی ارگانوئیدهای مغز انسان و شامپانزه، توانستند مناطقی از DNA را شناسایی کنند که ازنظر دسترسی در انسان متفاوت و احتمالا دارای نقش تنظیمی بودند. احتمال یافتن مناطق تنظیمی DNA در مجاورت ژن‌هایی که بیان آن‌ها را تنظیم می‌کنند، بیشتر است. بیش از ۶۰ درصد از ژن‌هایی که در انسان بیان متفاوتی داشتند، در مجاورت مناطقی بودند که ازنظر دسترسی با نخستی‌های دیگر متفاوت بودند. این امر نشان می‌دهد که توسعه و بیان ژن در انسان نتیجه‌ای از تغییرات تکاملی در مناطقی از DNA است که قادر به تنظیم بیان ژن‌ها هستند.
بخش قابل‌توجهی از مناطق DNA که در مطالعات گذشته نشان داده شده بود که از زمان جدایش انسان از شامپانزه‌ها دچار بیشترین تغییرات شده‌اند، با مناطقی که ازنظر دسترسی متفاوت بودند، همپوشانی داشتند. این امر نشان می‌دهد که این پژوهشگران واقعا به فرایندهای تنظیمی کلیدی مسئول ایجاد انسان‌ها اشاره کرده‌اند. این مطالعه اولین قدم را در مسیر مشخص کردن مناطق ژنتیکی مسئول پیچیدگی مغز انسان برداشته است. اگرچه پژوهشگران تأثیر این تغییر بیان ژن را روی عملکرد و رشد مغز مورد بررسی قرار نداده‌اند ولی این مطالعه منبعی عالی و نقطه‌ی آغازی برای هدایت پژوهش‌های آینده در این مسیر است. این پژوهش نه‌تنها در زمینه‌ی درک آن‌چه که موجب انسان شدن ما می‌شود، مهم است بلکه همچنین ازنظر درک چگونگی ایجاد برخی از اختلالات انسانی نیز مهم است. مطالعات متعددی نشان داده‌اند که بروز جهش در مناطقی از DNA که خاص انسان‌ها است، با اختلالات عصبی تکاملی مرتبط است.
نظرات