قام علماء معهد وايزمان للعلوم بتطوير أدمغة مصغرة في المختبر واكتشفوا كيف تتشكل الطيات في الدماغ البشري

يقول البروفيسور أورلي راينر: "لدينا هنا نموذج ليس دماغًا تمامًا، ولكنه نموذج جيد لتطور الدماغ، ونحن الآن نفهم بشكل أفضل سبب كون الدماغ لدى المرضى سلسًا وغير مطوي".

في الفلسفة الغربية، منذ أيام أرسطو، فكرة أن البشر يأتون إلى العالم "تابولا راسا" (باللاتينية: لوح مسطح) - أي دون معرفة مسبقة - اكتسبت جاذبية. ومع ذلك، من الناحية البيولوجية، فإن الدماغ البشري المطوي للغاية، ذلك الهيكل الشبيه بالجوز، بعيد عن أن يكون لوحًا أملسًا. في الواقع، الأطفال الذين يولدون بدماغ سلس يعانون من اضطراب شديد في النمو - فهم لا يستطيعون التحدث أو المشي، وعادة ما يموتون في مرحلة الطفولة. وعلى الرغم من الفهم بأن السطح المتعرج يلعب دورًا مهمًا في دماغ الإنسان، إلا أنه لم يتم العثور حتى الآن على تفسير فيما يتعلق بالطريقة التي تتطور بها هذه الطيات. في دراسة جديدة، نشرت اليوم في المجلة العلمية Nature Physics، استخدم علماء معهد وايزمان للعلوم طريقة مبتكرة لتنمية "أدمغة" بشرية مصغرة في المختبر، من أجل محاكاة والكشف عن الآليات الفيزيائية والبيولوجية التي تسبب تكوين الطيات الدماغية.

في العقد الماضي، حدث تقدم كبير في دراسة تطور الدماغ، عندما قام العلماء في مختبرات البروفيسور يوشيكي ساساي من اليابان والبروفيسور يورغن نوبليتش من النمسا لأول مرة بتطوير هياكل تشبه الدماغ البشري، تسمى العضويات، من الخلايا الجذعية الجنينية. وقد أثار هذا التطور العلمي اهتمامًا كبيرًا بين علماء الأعصاب، وتبنت المختبرات حول العالم هذه الطريقة. يقول البروفيسور أورلي راينر من قسم علم الوراثة الجزيئية: "كنا متحمسين للغاية للطريقة الجديدة، وكنا نأمل أن تسمح لنا بفهم عمليات نمو الدماغ البشري التي لا يمكن فهمها باستخدام نماذج الحيوانات مثل الفئران، لأن البنية الطبيعية للدماغ فيها تكون سلسة." ولكن على الرغم من الحماس، سرعان ما اكتشف الدكتور إيال كريتزبرون، الذي كان آنذاك باحثًا ما بعد الدكتوراه في مختبر البروفيسور راينر، أن الطريقة الجديدة لها أيضًا قيود: "لقد وجدنا تباينًا كبيرًا في حجم العضويات: بعضها وصل إلى حجم عدة ملليمترات، وبعضها كان أصغر بكثير. علاوة على ذلك، عندما تقطعها، تجد أنه في غياب الأوعية الدموية والإمداد المناسب من العناصر الغذائية، تبدأ الكائنات العضوية في "الموت من الداخل". وهناك عقبة كبيرة أخرى وهي سمك الأنسجة الناتجة، والتي لا تسمح بالتصوير البصري والمراقبة المجهرية في الوقت الحقيقي لعمليات النمو."

للتغلب على القيود، طور الدكتور كراتزبرون طريقة جديدة لزراعة العضيات. وقد قام الباحثون بتقييد نموها على طول محور الارتفاع، ونتيجة لذلك، نظمت الخلايا نفسها على شكل بنية مستديرة رفيعة تلتف حول مساحة ضيقة، والتي تشبه إلى حد كبير بيتا. وبفضل الأنسجة الرقيقة، أصبح من الممكن تصور النمو في الوقت الحقيقي، والأهم من ذلك - أنه كان من الممكن توفير الغذاء لجميع الخلايا. وفي الأسبوع الثاني من تطور "العقول"، لاحظ الدكتور كريتزبرون أن الطيات أصبحت أعمق فأعمق. ويقول: "هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها التعرف على الطيات في الكائنات العضوية، وربما يرجع ذلك إلى بنية نظامنا". تحول الدكتور كراتزبرون، وهو فيزيائي بالتدريب، إلى النماذج الفيزيائية لسلوك المواد المرنة في محاولة لفهم كيفية تشكيل الطيات. جسديًا، تظهر الطيات على السطح نتيجة لعدم الاستقرار الميكانيكي عند تطبيق قوى ضغط متعارضة على مادة مرنة؛ يمكن إنشاء قوى ضغط متعارضة، على سبيل المثال، نتيجة لـ "التورم" غير المتساوي. في الواقع، حدد الباحثون عمل قوتين متعارضتين في العضيات: من ناحية، تقلص الهيكل العظمي الخلوي في قلب العضيات، ومن ناحية أخرى، توسع نواة الخلية بالقرب من السطح. وبعبارة أخرى، فإن الجزء الخارجي من "بيتا" ينمو بشكل أسرع من الأجزاء الداخلية.

في هذه المرحلة، لم يكن البروفيسور راينر مقتنعًا بأن الطيات المرصودة تحاكي في الواقع عملية نمو الدماغ. ولاختبار ذلك، قام الباحثون بزراعة عضويات من الخلايا الجذعية التي تم إدخال طفرة فيها تسبب متلازمة الدماغ الملساء. وفي عام 1993، حدد البروفيسور راينر الجين LIS1، الذي تسبب طفرته هذه المتلازمة بمعدل حالة واحدة من كل 30,000 ولادة. هذا الجين مسؤول عن العديد من الوظائف الأساسية، ويشارك، من بين أمور أخرى، في هجرة الخلايا العصبية، وفي التحكم في الهيكل الخلوي والمحركات الجزيئية داخل الخلايا. وبعد بضعة أيام، نمت الكائنات العضوية المتحولة إلى أبعاد مشابهة للأبعاد الطبيعية، ولكن لم تتكون فيها سوى بضع طيات - مع اختلاف كبير في الأطوال الموجية. وافترض الباحثون أن الاختلاف في الطيات يرجع إلى اختلاف الخصائص الفيزيائية للخلايا. وباستخدام مجهر القوة الذرية وبمساعدة الدكتور سيدني كوهين من قسم البنى التحتية للأبحاث الكيميائية في معهد وايزمان، تم اكتشاف أن معامل مرونة الخلايا الطبيعية كان تقريبًا ضعف معامل مرونة الخلايا الطافرة. أو بعبارة أخرى، كانت الخلايا الطافرة أكثر ليونة. يقول البروفيسور راينر: "لقد اكتشفنا اختلافًا كبيرًا جدًا في الخصائص الفيزيائية، لكن الخصائص البيولوجية كانت مختلفة أيضًا. على سبيل المثال، كانت سرعة حركة نواة الخلية إلى النواة أبطأ بكثير في الخلايا الطافرة، وكان هناك اختلاف كبير جدًا في بروتينات الأنسجة بين الخلايا."

حتى قبل نشر البحث، كان هناك اهتمام في المجتمع العلمي بالنهج الجديد لزراعة الكائنات العضوية. يقول البروفيسور راينر: "لدينا نموذج هنا ليس دماغًا تمامًا، ولكنه نموذج جيد لتطور الدماغ. ونحن الآن نفهم بشكل أفضل سبب كون دماغ المرضى سلسًا وغير مطوي". ويخطط الباحثون لمواصلة تطوير النموذج، في محاولة لفهم الأمراض الأخرى المرتبطة بضعف نمو الدماغ، بما في ذلك صغر الرأس (الدماغ الصغير)، والصرع، والفصام. وشارك في الدراسة أيضًا البروفيسور يعقوب حنا المتخصص في علاج الخلايا الجذعية الجنينية، وطالبة البحث أديتيا كاشيرسجار من مجموعة البروفيسور راينر.

36 ساعة من حياة عضوي الدماغ (باللون الأحمر - نواة الخلية، باللون الأخضر: الهيكل الخلوي). ظهرت الطيات على السطح بعد "تورم" غير متساوٍ.

5 ساعات من حياة عضوي "الدماغ الأملس" (باللون الأحمر - نواة الخلية، باللون الأخضر: الهيكل الخلوي). نمت الكائنات العضوية المتحولة إلى أبعاد مماثلة للأبعاد الطبيعية، ولكن لم تتكون فيها سوى بضع طيات