دانشمندان توانسته‌اند سلول‌های مغز انسان را در بدن موش‌ها بکارند و رفتارشان را کنترل کنند!
محققان دانشگاه استنفورد، نورون‌های انسان را به مغز موش‌های صحرایی پیوند زده‌اند و مدار‌های مغزی هیبریدی به وجود آورده‌اند و سپس از آن‌ها برای تأثیرگذاری بر رفتار جوندگان استفاده کردند. این کار گامی چشمگیر به جلو برای علوم اعصاب است و می‌تواند مغز موش را به عنوان آزمایشگاه زنده برای مطالعه اختلالات شناختی ببیند.
مغز بافتی بسیار پیچیده است و به همین میزان مطالعه آن هم دشوار است. در سال‌های اخیر شاهد پیشرفت‌های چشمگیر دانشمندان با شبه‌ارگان‌ها یا ارگانوئید‌های مغزی رشد یافته در آزمایشگاه بوده‌ایم. تولید این سلول‌ها با سلول‌های بنیادی شروع می‌شوند که در معرض عوامل رشد قرار می‌گیرند تا بلوغ آن‌ها را به انواع مختلف سلول‌های مغزی تحریک کنند، که سپس به ساختار‌های سه‌بعدی شبیه‌سازی شده در مغز توسعه می‌یابند.
این شبه‌ارگان‌ها هوشیار نیستند، اما الگویی برای مطالعه اختلالاتی مانند صرع، اوتیسم، اسکیزوفرنی و بررسی اثرات دارو‌های مختلف در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد. ما همچنین نسخه‌هایی از ارگانوئید‌های مغزی را دیده‌ایم که می‌توانند رگ‌های خونی خود را رشد دهند، سیگنال‌های الکتریکی را منتشر کنند و حتی چشم‌هایی را که قادر به تشخیص نور هستند رشد دهند.
سال گذشته، سرجیو پاسکا، استاد روانپزشکی و علوم رفتاری در دانشکده پزشکی استنفورد، مطالعه‌ای را روی ارگانوئید‌های مغزی ۲۰ ماهه در آزمایشگاه انجام داد. قبل از این کار، تصور می‌شد که مغز‌های رشد یافته در آزمایشگاه قادر به بلوغ از مرحله‌ای به بعد نیستند. این مطالعه ثابت کرد که این ارگانوئید‌ها می‌توانند مانند مغز انسان بالغ شوند و از یک ساعت درونی پیروی کنند تا در یک جدول زمان به بلوغ پس از تولد برسند.
پاسکا و سایرین در این زمینه به توسعه ارگانوئید‌های پیشرفته که نماینده مناطق مختلف مغز مانند قشر مغز هستند، ادامه می‌دهند، اما نحقیق در مورد ساختار‌ها در یک ظرف دارای محدودیت‌هایی است.
پاسکا می‌گوید که ما مدار‌های پیچیده‌تری را در یک ظرف با استفاده از ارگانوئید‌ها و ترکیبات پیچیده آن‌ها به نام اسمبلوئید ساخته‌ایم. اما نورون‌های موجود در این ظروف آزمایشگاهی در مقایسه با آنچه در مغز انسان در حال رشد طبیعی، هنوز عقب هستند.
چالش‌های متعدد – مانند کمبود مواد مغذی و فاکتور‌های رشد، سلول‌های اندوتلیال تشکیل‌دهنده رگ‌های خونی یا ورودی حسی – مانع رشد در ظرف آزمایشگاهی می‌شوند.
بنابراین پاسکا و تیمش در آخرین کار خود، ارگانوئید‌های مغزی شبیه قشر مغز انسان را به نزدیک به ۱۰۰ موش صحرایی جوان پیوند زدند. موش‌ها دو یا سه روزه بودند، معادل دوران نوزادی انسان، و پیوند در این مرحلهزده شد تا ارگانوئید‌ها بتوانند ارتباط برقرار کنند و همگام با مغز خود تکامل یابند.
طولی نکشید که سلول‌های اندوتلیال موش به بافت انسان مهاجرت کردند تا رگ‌های خونی تشکیل دهند و مواد مغذی و توانایی سیگنال دهی به آن را برای دفع مواد زائد فراهم کنند. سلول‌های ایمنی در مغز موش‌های صحرایی هم از این روش پیروی کردند و خود را در بافت پیوند شده در خانه قرار دادند. از آنجا، ارگانوئید‌های کاشته شده نه تنها زنده ماندند، بلکه تا جایی رشد کردند که حدود یک سوم نیمکره مغز موش را که در آن کاشته شده بودند، اشغال کردند.
تک تک سلول‌های عصبی از ارگانوئید‌ها نیز به سرعت رشد کردند و در مغز موش صحرایی نفوذ کردند تا با مدار طبیعی مغز جوندگان، از جمله با ناحیه تالاموس، که مسئول انتقال اطلاعات حسی از بدن است، ارتباط برقرار کنند.
پاسکا گفت: «این ارتباط ممکن است سیگنال لازم برای بلوغ و ادغام بهینه نورون‌های انسانی را فراهم کرده باشد.
سپس دانشمندان به بررسی یک بیماری انسان پرداختند و با استفاده از سلول‌های پوستی مشتق شده از یک بیمار مبتلا به سندرم تیموتی، یک بیماری مغزی مرتبط با اوتیسم و صرع، یک ارگانوئید ایجاد کردند. این ارگانوئید به یک طرف مغز موش پیوند زده شد، در حالی که یک ارگانوئید ایجاد شده از سلول‌های یک فرد سالم به سمت دیگر پیوند شد تا به عنوان شاهد عمل کند.
پنج تا شش ماه بعد، تفاوت‌های قابل‌توجهی در فعالیت الکتریکی مشاهده شد، در حالی که نورون‌های سندرم تیموتی نیز بسیار کوچک‌تر بودند و ساختار‌های سیگنال‌دهی کمتری به نام دندریت داشتند.
اما قابل توجه‌ترین یافته از آزمایش‌هایی بود که برای سنجش توانایی مغز‌های هیبریدی برای پردازش اطلاعات حسی طراحی شده بود. به این ترتیب که وزش‌های هوا به سمت سبیل‌های موش‌ها هدایت می‌شد که دانشمندان دریافتند که نورون‌های انسان را در پاسخ به آن‌ها از نظر الکتریکی فعال می‌کند.
آزمایش دیگری شامل ارگانوئید‌های اصلاح شده برای پاسخ به نور آبی بود که از طریق کابل‌های فیبر نوری فوق نازک اجرا می‌شد. پالس‌های نور آبی برای فعال کردن این نورون‌ها مورد استفاده قرار گرفت و آب تنها پس از این رویداد‌های نور آبی در دسترس موش‌ها قرار گرفت. این کار در یک دوره آموزشی ۱۵ روزه انجام شد و به موش‌ها آموخته شد که فعال شدن این نورون‌ها به معنای پاداشی است که آن‌ها را وادار می‌کند به دنبال فواره آب بگردند. اینکه موش‌ها یاد گرفتند که تحریک نور آبی را با در دسترس بودن آب مرتبط کنند، نشان می‌دهد که بافت انسانی کاشته‌شده می‌تواند به عنوان بخشی از مدار پاداش‌جویی مغز موش عمل کند.
محققان نشان می‌دهند که نورون‌های انسانی، زمانی که فعال می‌شوند، با رفتار موش‌ها تداخل می‌کنند. سلول‌های انسان به طور عملکردی به مغز موش در این تحقیق متصل شدند.
پاسکا این را پیشرفته‌ترین مدار مغز انسان می‌داند که تاکنون از سلول‌های پوست انسان ساخته شده است. این کار با توانایی کنترل و مشاهده اثرات روی رفتار موش‌ها، فرصت‌های هیجان‌انگیز جدیدی را برای مطالعه اختلالات عصبی روانی باز می‌کند. اکنون می‌توانیم رشد سالم مغز و همچنین اختلالات مغزی را که ریشه در رشد آن‌ها می‌دانیم با جزئیات بی‌سابقه‌ای بدون نیاز به برداشتن بافت مغز انسان مطالعه کنیم. دانشمندان همچنین می‌توانند از این پلتفرم جدید برای آزمایش دارو‌های جدید و ژن درمانی برای اختلالات عصبی-روانی استفاده کنند.
این تحقیق در مجله Nature منتشر شده.
منبع: دانشگاه استنفورد
