عجایب مغز: آیا می‌توان سلول‌های مغز را بر اساس کاربردشان طبقه‌بندی کرد؟

دانشمند پیشگام علوم اعصاب، سانتیاگو رامون ئی کاخال (Santiago Ramón y Cajal)، در اواخر قرن ۱۹ آغازگر جستجو برای یک «کاتالوگ اجزاء» مغز انسان بود. نقاشی‌های ظریف او از سلول‌های مغز به همراه ارتباطات شبکه‌ای آن‌ها همچنان در بسیاری از کتاب‌های دانشگاهی دیده می‌شوند. دانشمندان علوم اعصاب، پیش از تلاش چندین نسلی برای رمزگشایی از توانایی‌های مغز، باید بخش‌های فراوان آن و کارکرد هرکدام را شناسایی کنند.

این کار، به واسطه تفاوت‌های بسیار زیاد سلول‌ها، بسیار پیچیده است. کاخال به طور اجمالی تفاوت‌هایی را در شکل سلول‌های متمایز فراهم کرده، اما در عین حال کارهای بی‌اندازه‌ای را بر عهده نسل‌های آینده آماتومیست‌های اعصاب قرار داده است. این توصیف‌کننده‌های متفاوت اغلب به سادگی با یکدیگر انطباق ندارند و این امر بحث‌های زیادی را درباره چگونگی تعریف انواع سلولی بر انگیخته است. با در دسترس قرار گرفتن ابزاری که سیگنال‌های ارتباطی اعصاب را ثبت می‌کنند، پژوهشگران شروع به طبقه‌بندی سلول‌ها بر اساس الگوهای بر انگیزشی متفاوت کرده‌اند؛ تخصصی که با نام الکتروفیزیولوژی (electrophysiology) شناخته می‌شود. این تلاش ما را به طبقه‌بندی عملکرد سلول‌ها نزدیک‌تر می‌کند، اما همچنان توصیفی است و رفتار، و نه مورفولوژی، را توصیف می‌کند.

حرکت به سمت یک تعریف که تمام سلول‌ها را طبق عملکردشان توصیف می‌کند، در سطح ژنوم به پایان می‌رسد؛ طرحی که اساس تمام ویژگی‌های بیولوژیکی دیگر است. ثمره تمام این تلاش‌ها در برنامه بزرگ و بین‌المللی BRAIN متعلق به سازمان ملی سلامت (NIH) به نمایش در آمده است. این برنامه یک سرشماری ژنومی از انواع سلول در یکی از بخش‌های مغز، قشر حرکتی اولیه (primary motor cortex)، تهیه کرده؛ بخشی که مسئول کنترل حرکات پیچیده است.

این اطلس به طور یکسان برای موش‌ها، میمون‌ها و انسان‌ها صادق است. قشر حرکتی به این علت به عنوان اولین قدم در یک فهرست جامع مغز انتخاب شد، که هم به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته و هم در بین گونه‌ها یکسان است. گروه این برنامه، شبکه اقدام سرشماری سلول‌های مغز (BICCN)، تلاش‌های آزمایشگاه‌های بسیاری را، به رهبری انستیتوی آلن برای علم مغز، ادغام می‌کند. یافته‌های آن‌ها در ۱۷ مقاله، که این هفته در Nature منتشر شده‌اند، منبعی خواهد بود که تلاش‌ها برای فهم عملکردهای مغز را شتاب می‌بخشد و بینشی برای بیماری‌ها و اختلالات مغزی فراهم می‌آورد.

این پروژه از کامل‌ترین مجموعه اطلاعات برای کاوش سلول‌های مغزی در یک تلاش واحد استفاده کرده است. مستندات پژوهش نشان می‌دهند که این ابزار چگونه ویژگی‌های سلولی مختلف را اندازه می‌گیرند، و یک مقاله اصلی داده‌های ۱۱ مقاله مکمل را با هم اذغام می‌کند تا یک اطلس بین‌گونه‌ای از انواع سلول‌های مغزی فراهم شود. چند پژوهش دیگر از قشر حرکتی در مغز موش فراتر می‌روند تا دیگر نواحی و شبکه‌های مغزی را پوشش دهند. پژوهش‌های دیگر نیز سوالاتی را در مورد نحوه شکل‌گیری مغز انسان توسط تکامل و در طول توسعه اولیه مطرح می‌کنند.

این پژوهش عمدتا روی تکنولوژی‌های «ژنومی» متمرکز بود؛ نظیر تکنولوژی «ترنسکریپتومیک» (transcriptomics) که فعالیت ژن‌ها را از طریق توالی‌یابی RNA در انواع مختلف سلول اندازه می‌گیرد. پژوهشگران همچنین تکنیک‌های «اپیژنومیک» (epigenomic) را به کار گرفتند که چگونگی تحت تاثیر قرار گرفتن فعالیت‌های ژن‌ها را بدون تغییر کد ژنتیکی ارزیابی می‌کنند. پژوهشگران از دو تکنولوژی مشابه استفاده کردند تا ببینند ژن‌ها چگونه توسط اضافه کردن گروه‌های شیمیایی به DNA خاموش و روشن می‌شوند، یا چگونه می‌توان با آرایش مجدد ساختار DNA خوانش ژن‌ها را ساده‌تر کرد.

پژوهشگران از داده‌های ژنومی برای تولید یک مجموعه از «واقعیات عینی» برای طبقه‌بندی انواع سلولی استفاده کردند. آن‌ها همچنین ویژگی‌های دیگری، نظیر شکل و الکتروفیزیولوژی، را اندازه‌گیری کردند تا ابعاد بیشتری به طبقه‌بندی ژنتیکی خود بدهند و سپس به بررسی سازگاری آن‌ها پرداختند. اد لین (Ed Lein)، دانشمند علوم اعصاب در انستیتوی آلن و از رهبران این پروژه، می‌گوید: «پیوندی بین ژن‌ها و ویژگی‌ها وجود دارد، پس این چیزی بیش از طقه‌بندی است و پایه‌ای برای توضیح کار سلول‌ها به شمار می آید.» همچنین برخی از پژوهش‌ها از تکنیک‌هایی جدید یا قدیمی برای اندازه‌گیری چند ویژگی به طور همزمان استفاده کردند. «توالی‌یابی وصله‌ای» (Patch-seq) الکتروفیزیولوژی و فعالیت ژن سلول‌های را پیش از بازسازی سه بعدی شکل‌شان قبت کرد. ابزارهای «ترنسکریپتومیک فضایی» که فعالیت ژن را با ترکیب ژنومیک و تصویربرداری مغزی انجام می‌دهند، تعیین موقعیت سلول‌ها را ممکن ساختند و اطلاعاتی درباره توزیع و نسبت‌های انواع سلولی فراهم آوردند.

همچنین روش‌های دنبال کردن ارتباطات عصبی برای تولید دیاگرام شبکه ورودی/خروجی قشر حرکتی موش‌ها به کار گرفته شد. آپارنا بادوری (Aparna Bhaduri)، از دانشگاه کالیفرنیا، لس‌آنجلس و یکی از دانشمندان پروژه، می‌گوید «حضور در این مجموعه به این معنی است که تکنیک‌های جدید زودتر کاربردی می‌شوند، چون با معیارهایی سخت‌گیرانه در رقابت با دیگران آزمایش می‌شوند.»

مجموعه داده‌های این پروژه در دسترس عموم هستند. لین می‌گوید «این امر به استاندارد شدن این حوزه کمک می‌کند. این پروژه تقریبا مانند ژنوم انسان برای علم ژنتیک، به یک مرجع بنیادی برای زبقه‌بندی انواع سلولی تبدیل می‌شود. فهم اجزا باعث می‌شود که این حوزه به سمت سوالات بعدی حرکت کند. مثلا این که این سلول‌ها چه کاری انجام می‌دهند؟»

این کاتالوگ جامع بدون مجموعه‌ای از توسعه‌های تکنولوژیکی که توانایی تحریک و کاوش سلول‌های مغز را به صورت انفرادی ایجاد کرده‌اند، ممکن نبود. لین می‌گوید «ژنومیک تک سلولی در حال تغییر دادن این حوزه و بسیاری از حوزه‌های دیگر بیولوژی است.» بر خلاف تحلیل بافت‌ها، تکنیک‌های مطالعه سلول‌های تکی تنها در پنج سال گذشته استاندارد شده‌اند. اندازه‌گیری و کنترل فعالیت سلول‌ها مهم است، چون همه سلول‌ها حاوی DNA هستند، اما انواع متفوات سلول، آن را به طور متفاوتی به کار می‌گیرند. فنا کرینن (Fenna Krienen)، دانشمند علوم اعصاب دانشگاه هاروارد که روی پژوهش بین گونه‌ای کار کرده، می‌گوید «شاید صدها نوع سلولی متفاوت در یک تکه کوچک از قشر مغزی شما باشد، و ما باید بدانیم چگونه هر کدام از آن‌ها ژنوم خود را به کار می‌گیرند.»

تحلیل‌های ادغام‌شده در طول پروژه یک درخت طبقه‌بندی، مثل تصاویر «درخت حیات»، تولید کردند. شاخه‌های بزرگ گروه‌بندی‌های مهم را با ریشه‌های تکاملی مشترک منعکس می‌کنند. یک شاخه آغازین سلول‌های دستگاه عصبی و دستگاه‌های غیر عصبی را متمایز، و سلول‌هایی مثل گلبول‌های خون را جدا می‌کند. تقسیم بندی دوم، بین انواع عصبی و غیر عصبی سلول‌ها، نورون‌ها را از انواع سلولی «پشتیبان»، که به طور کلی «سلول‌های گلیال» نامیده می‌شوند، جدا می‌کند. سپس نورون‌ها به انواع تحریک‌کننده، که احتمال تحریک سلول‌های دیگر را افزایش می‌دهند، و انواع بازدارنده، که فعالیت سلول‌های دیگر را متوقف می‌کنند، تقسیم می‌شوند. این دو مقوله عمده به ۲۴ «زیرطبقه» بزرگ تقسیم می‌شوند، که کمابیش در تمام گونه‌ها وجود دارند. آن‌ها را می‌توان بیشتر تقسیم‌بندی کرد تا به شاخه‌های نهایی رسید ــ «برگ‌های» درخت با اسم «انواع t» (که t حرف اول transcriptional است، ابزار ژنومیک طبقه‌بندی انواع سلولی). تعداد این دسته‌ها بین گونه‌ها متفاوت است (۱۱۶ تا در موش‌ها، ۱۲۷ تا در انسان‌ها، ۹۴ تا در مارموزت‌ها). سپس پژوهشگران داده‌های ترنسکریپتومیکی هر سه گونه را با هم ادغام کردند و ۴۵ نوع t مشترک یافتند؛ شامل ۲۴ نوع تحریک‌کننده، ۱۳ نوع بازدارنده و ۸ نوع سلول غیر عصبی، نظیر آستروسیت‌ها (astrocytes) و الیگودندروسیت‌ها (oligodendrocytes).

شباهت بین گونه‌ها نشان از این دارد که این انواع سلولی نقش مهمی در عملکرد مغز دارند. لین می‌گوید «حفاظت تکاملی یک مدرک بسیار قوی از این است که چیزها تحت کنترل سفت و سخت ژنتیکی بوده‌اند. پس این اجزا باید برای عملکرد سیستم عصبی مهم باشند.» شباهت بین سلول‌های انسان‌ها و موش‌ها از شباهت سلول‌های مارموزت ها و موش‌ها بیشتر است. پژوهش بین گونه‌ای نوع سلولی بتز (Betz) در انسان را، که روی آن مطالعات زیادی انجام شده، تصویر می‌کند. تیم پژوهشی در یافت که یک سلول مشابه در موش‌ها با ریشه‌های تکاملی مشترک وجود دارد، اما ویژگی‌های الکتریکی و برخی از ویژگی‌های دیگر آن بین گونه‌ها متفاوت بودند. لین می‌گوید «موش‌ها از لحاظ طرح بدنی شباهت‌هایی کلی با انسان دارند، اما جزئیات‌شان متفاوت است. همین موضوع در سطح انواع سلولی نیز صادق است. شما به جز چند استثنا تمام انواع سلولی را می‌بینید، اما ویژگی‌های آن‌ها متفاوت است. طبیعت تفاوت‌های بین گونه‌ها همین است.» از طرف دیگر، سلول‌های «لوستر» (chandelier)، که به خاطر ساختارهای ارتباطی زیبا به این نام خوانده می‌شوند، در بین گونه‌ها بسیار شباهت دارند.

این داده‌ها به پژوهشگران نشان می‌دهند که با استفاده از ابزارهای جا افتاده «ترنس‌ژنیک» (transgenic) در مهندسی ژنتیک در موش‌ها، یا توالی‌های DNA ویروس‌های بی‌ضرر در دیگر حیوانات، انواع سلولی خاصی را مورد هدف قرار دهند. کرینن می‌گوید «رویکرد ترنس‌ژنیک برای مدل‌های موش جا افتاده موثر هستند. ابزارهای بر پایه ویروس، که آن‌ها را نیز می‌توان در موش‌ها به کار برد، پتانسیل این را دارند که به عنوان راهی برای تحویل ژن‌ها، عناصر کنترلی یا جهش‌ها در حیواناتی به کار روند که جعبه‌ابزار ژنتیکی‌شان را در اختیار نداریم؛ برای مثال، نخستی‌سانان غیر انسانی.» توانایی هدف قرار دادن سلول‌ها به این روش ابزارهای بسیاری را برای هرگونه کار، از مطالعه تکوین مغز تا کالبدشکافی مدارهای عصبی، فراهم می‌آورد. کرینن می‌گوید «حالا که می‌دانیم کدام ژن‌ها احتمالا بسته به سلول‌ها به طوری متفاوت به کار گرفته می‌شوند، می‌توانیم ابزاری با دقتی در سطح انوع سلولی بسازیم که مدت‌ها آرزویشان را داشتیم.»

فهم این که کدام ژن‌ها و کدام توالی‌های ژنتیکی که فعالیت انواع سلولی را کنترل می‌کند، مختص انواع سلولی متفاوت هستند، فهم پژوهشگران از بیماری را ترقی می‌دهد. لین می‌گوید «این اثر بزرگی روی بیماری‌ها خواهد داشت، چون حالا می‌توانیم آن‌ها را در سطح آناتومی متمرکز کنیم. سلول‌هایی که تحت تاثیر یک جهش ژنتیکی هستند کجا قرار دارند؟» دانستن این که ویژگی‌های مربوط به بیماری در گونه‌های متفاوت تا چه حد به هم شباهت دارند نیز در آگاهی‌بخشی به انتخاب مدل‌های حیوانی تاثیر دارد. این سوال بزرگی بر دوس پژوهش‌های بیولوژیکی است؛ برای مثال، آیا یک مطالعه در موش‌ها ارتباطی با انسان‌ها دارد؟ کرینن می‌گوید «اگر اجزای کنترلی مرتبط حفظ نشوند، آیا یک مدل روانگسیختگی در موش می‌تواند بینش‌هایی را که می‌خواهیم به ارمغان آورد؟»

گزارش‌های گوناگون توده‌ای عظیم از داده‌ها را ارائه می‌دهند، اما جزییات مهم همچنان در دسترس نیستند. بوتوند روسکا (Botond Roska)، دانشمند علوم اعصاب از دانشگاه بازل و یکی از اعضای پروژه، می‌گوید «چیز حیاتی که جایش واقعا خالی است، پروتئین‌ها هستند. تنها دلیلی که ما ژن داریم این است که آن‌ها پروتئین‌ها را کدنویسی می‌کنند . این مکانیسم نهایی سلول‌ها است.» تکنولوژی‌های پروتئین در دسترس هستند، اما با وضوح در حد سلول‌های تکی. همچنین مشخص نیست که شرایط متفاوت چه تاثیری روی این داده‌ها دارند. روسکا می‌گوید «فعالیت‌ها تاثیر شگرفی روی حالت ژن‌ها دارند. شما باید مغزها را در شرایط متفاوت کاوش کنید تا نشان دهید که انواع سلولی در شرایط متفاوت ثابت باقی می‌مانند.» به گفته او، این مشارکت‌ها تنها آغاز راه هستند. «این یک قدم اول بسیار مهم است، اما راه زیادی باقی مانده تا انواع سلولی در مغز واقعا استاندارد شوند. این یک طرح اولیه است؛ فرضیه‌ای منطقی به شمار می‌رود، اما الان آماده است تا توسط تمام جامعه علمی زیر سوال برود، آزمایش شود و اصلاح گردد.»

در کوتاه مدت، هدف این پروژه این است که داده‌ها را در یک فضای سه بعدی جاسازی کند. بادوری می‌گوید «یک اطلس تنها مشتی مختصات GPS نیست، بلکه باید آن‌ها را روی نقشه نشان دهد. این یک دستاورد دگرگون‌کننده است، چون محل قرارگیری سلول‌ها در مغز بسیار مهم است، و چیزهای بسیاری وجود دارد که ما در مورد ارتباط بین عملکرد و محل قرارگیری نمی‌دانیم.» منابع مالی قدم بزرگ بعدی پروژه، با نام BICAN (اقدام شبکه اطلس سلولی BRAIN)، که هدفش حرکت به سمت مغز نخستی‌سانان غیر انسانی و انسان‌ها است، از همین حالا تامین شده‌اند. لین می‌گوید «ما توانسته‌ایم تا واقعا بر پیچیدگی این بخش از مغز فائق شویم. حالا باید این کار را در مغز موش‌ها گسترش دهیم، و همچنین سراغ مغز نخستی‌سانان غیر انسانی و کل مغز انسان‌ها برویم.»