مغز انسان در جمجمه موش؛ شاهکار دانشمندان استنفورد برای کشف رازهای بیماری‌های عصبی

این هفته در یکی از آزمایشگاه‌های دانشگاه استنفورد، موش‌هایی با ظاهر کاملاً معمولی در قفس‌هایشان این‌طرف و آن‌طرف می‌دوند، بی‌خبر از اینکه تقریباً نیمی از مغزشان از سلول‌های عصبی انسان ساخته شده است. این جوندگان که از نظر ژنتیکی طوری دستکاری شده‌اند که قشر مغز نداشته باشند، حالا میزبان بافت مغز انسانیِ کشت‌شده در آزمایشگاه هستند که حسابی رشد کرده و جای خالی را پر کرده است. این موش‌های «زنوکورتیکال» که جزئیاتشان در مطالعه ۱۶ سپتامبر مجله Nature منتشر شده، یک جهش عظیم در نوروبیولوژی به حساب می‌آیند: یک سیستم زنده که در آن نورون‌های انسانی می‌توانند رشد کنند، به هم متصل شوند و درون یک بدن فعال کار کنند.[3][6]

بیش از یک دهه است که سرجیو پاسکا، عصب‌شناس، و تیمش در استنفورد در تلاشند تا یک مشکل اساسی در تحقیقات مغز را حل کنند: بزرگ‌ترین مانع برای درک مغز انسان، خودِ انسانی است که آن را در بر گرفته. دانشمندان به لحاظ اخلاقی نمی‌توانند با ماده خاکستری زنده انسان ور بروند تا ببینند بیماری‌هایی مثل اسکیزوفرنی یا اوتیسم چطور شکل می‌گیرند. از طرفی، هرچند «ارگانوئیدهای» آزمایشگاهی — خوشه‌های سه‌بعدی و کوچک بافت عصبی که از سلول‌های بنیادی انسان گرفته شده‌اند — روزبه‌روز پیشرفته‌تر شده‌اند، اما خون‌رسانی و ورودی‌های حسی یک بدن واقعی را ندارند و همین موضوع، میزان رشد آن‌ها را در یک ظرف شیشه‌ای محدود می‌کند.[5][6]

در سال ۲۰۲۲، آزمایشگاه پاسکا سعی کرد با پیوند ارگانوئیدهای قشر مغز انسان به مغز موش‌های صحرایی نوزاد، این شکاف را پر کند. اگرچه سلول‌های انسانی با موفقیت ادغام شدند و به ورودی‌های حسی واکنش نشان دادند، اما به یک مشکل اساسی در زمینه «املاک و مستغلات بیولوژیکی» برخوردند. نورون‌های انسانی خیلی کندتر از نورون‌های جوندگان رشد می‌کنند و این دو سیستم مجبور شدند برای یک فضای فیزیکی مشترک با هم رقابت کنند؛ رقابتی که در نهایت سلول‌های جونده در آن پیروز شدند و بافت انسانی را جا گذاشتند.[1][6]

برای حذف این رقابت نابرابر، محققان استنفورد یک رویکرد کاملاً رادیکال در پیش گرفتند. آن‌ها یک نژاد از موش‌ها را از نظر ژنتیکی دستکاری کردند تا جلوی تشکیل قشر مغز — لایه بیرونی مغز که مسئول شناخت و حرکت پیچیده است — و همچنین هیپوکامپ را بگیرند. وقتی این موش‌های «آپالیال» فقط دو روزه بودند، تیم تحقیقاتی ارگانوئیدهای قشر مغز انسان را که هر کدام حاوی حدود ۱۰۰ هزار سلول انسانی بودند، مستقیماً به حفره‌های بزرگ و پر از مایعی تزریق کردند که در حالت عادی باید جایگاه قشر مغز موش می‌بود.[1][6]

نتایج خیره‌کننده بود. بدون مزاحمت بافت بومی موش، پیوندهای انسانی حسابی جان گرفتند. در عرض سه ماه، بافت انسانی پیوندزده‌شده پنج برابر بزرگ شد و در نهایت بیش از ۹۰ درصد از حجم بافت قشر مغز را در موش‌های زنوکورتیکال به خود اختصاص داد. سلول‌های انسانی رگ‌سازی کردند، خون‌رسانی را به سمت خود کشیدند و شروع به گسترش رشته‌های عصبی دوربرد در اعماق سیستم عصبی موش کردند، تا جایی که حتی به طناب نخاعی گردنی هم رسیدند.[1][5][6]

پاسکا در گفتگو با ScienceAlert توضیح داد: «مهم‌ترین نکته این است که این‌ها هنوز موش هستند. آن‌ها سیستم عصبی موش، اندام‌های حسی موش و ساختارهای زیرقشری موش را دارند. چیزی که غیرعادی است این است که بیشتر بافت قشری موجود در این حیوانات، ریشه انسانی دارد و نورون‌های انسانی رشد می‌کنند، ادغام می‌شوند و ارتباطات عملکردی با بقیه سیستم عصبی موش برقرار می‌کنند.»[5]

نکته جالب اینجاست که این ادغام به بافت انسانی اجازه داد تا سلول‌های مغزی نادر و تخصصی‌ای را تولید کند که رشد دادنشان در محیط آزمایشگاهی کار حضرت فیل است. محققان شاهد ظهور نورون‌های پرتابی لایه عمقی و سلول‌هایی شبیه به نورون‌های فون اکونومو بودند؛ سلول‌های غول‌پیکر و سیگاری‌شکلی که معمولاً در حیوانات با مغز بزرگ و بسیار اجتماعی مثل کپی‌های بزرگ و انسان‌ها یافت می‌شوند. می‌دانیم که این نورون‌های خاص در زوال عقل پیشانی‌گیجگاهی، یک اختلال عصبی که اغلب در میانسالی بروز می‌کند، به‌شدت آسیب‌پذیرند.[1][5]

با وجود نداشتن قشر مغز بومی، موش‌های زنوکورتیکال عملکرد شگفت‌انگیزی داشتند. آزمایش‌های رفتاری که سه تا شش ماه پس از جراحی پیوند انجام شد، نشان داد که این حیوانات در تست‌های حافظه عملکردی بالاتر از حد تصادف داشتند و رفتاری شبیه به موش‌های کنترل عادی از خود نشان دادند؛ هرچند برخی ویژگی‌های عجیب و غریب جزئی مثل راه رفتن کمی محتاطانه‌تر و اختلالات خفیف در حافظه کاری هم در آن‌ها دیده شد. اینکه موش‌ها تا این حد طبیعی عمل کردند، نشان می‌دهد که سلول‌های انسانی فعالانه در رفتار و پردازش حسی حیوانات مشارکت داشته‌اند.[1][5]

ارزش واقعی مدل زنوکورتیکال در پتانسیل آن برای مطالعه بیماری‌های انسانی نهفته است. در یک آزمایش اثبات مفهوم، محققان موش‌ها را به مدت پنج ساعت در معرض اکسیژن کم قرار دادند تا نوعی آسیب مغزی حین تولد را که می‌تواند منجر به فلج مغزی شود، شبیه‌سازی کنند. کمبود اکسیژن آسیب قابل‌توجهی به بافت قشری با منشأ انسانی وارد کرد و موش‌ها متعاقباً دچار نقص‌های حرکتی قابل‌اندازه‌گیری شدند؛ اتفاقی که ثابت می‌کند این مدل می‌تواند با موفقیت آسیب سلولی در بافت انسانی را به تغییرات رفتاری در کل حیوان ربط دهد.[1][5]

خلق حیواناتی با بافت مغز انسان، طبیعتاً سؤالات اخلاقی عمیقی را به همراه دارد؛ به‌ویژه در این مورد که آیا چنین موجوداتی ممکن است آگاهی شبیه به انسان پیدا کنند یا درد را به شکل متفاوتی تجربه کنند. برای مدیریت این نگرانی‌ها، استنفورد یک پنل مستقل از متخصصان اخلاق زیستی، حقوق‌دانان و حامیان بیماران تشکیل داد تا بر آزمایش‌ها نظارت کنند. اجماع فعلی بر این است که چون ارگانوئیدها در یک سیستم زیرقشریِ از پیش توسعه‌یافته موش قرار می‌گیرند، ساختارهای تخصصی مورد نیاز برای شناخت در سطح انسان را تشکیل نمی‌دهند.[2][6]

با پخته‌تر شدن این فناوری، تیم استنفورد امیدوار است از موش‌های زنوکورتیکال برای آزمایش درمان‌های هدفمند برای بیماری‌های ژنتیکی استفاده کند. پاسکا می‌گوید: «هر بار که با فردی دارای جهش ژنتیکی روبه‌رو می‌شوید، می‌توانید آن جهش را در سلول‌های کنترل القا کنید، یا سلول‌های همان بیمار را بگیرید و پیوند بزنید.» با فراهم کردن یک محیط زنده و نفس‌کش برای رشد سلول‌های مغز انسان، محققان بالاخره پنجره‌ای به سیم‌کشی پیچیده ذهن پیدا کرده‌اند؛ آن هم بدون اینکه نیازی به باز کردن جمجمه یک انسان داشته باشند.[1][2]