انقلاب در شبیه‌سازی سلول‌های مغزی

این پیشرفت با استفاده از ترکیب‌های نظام‌مندی از مورفوژن‌ها (عوامل رشد) و تنظیم‌کننده‌های ژنی به دست آمده و تنوع گسترده نورون‌های موجود در مغز انسان را بازآفرینی کرده است. این موفقیت نویدبخش تحولاتی بزرگ در مطالعه بیماری‌های عصبی مانند آلزایمر و پارکینسون، ایجاد مدل‌های دقیق‌تر برای آزمایش داروها و حتی توسعه درمان‌های جایگزینی نورون‌ها در آینده است.
پروفسور باربارا تروتلین، استاد گروه علوم و مهندسی بیوسیستم‌ها در ETH زوریخ می‌گوید: «نورون‌ها صرفا نورون نیستند. بسته به نحوه تمایز، صدها تا هزاران نوع مختلف سلول عصبی در مغز انسان وجود دارد.» این تنوع برای درک بیماری‌های عصبی حیاتی است؛ زیرا هر بیماری ممکن است نوع خاصی از نورون‌ها را تحت‌تاثیر قرار دهد. برای مثال، در بیماری آلزایمر یا پارکینسون، دانستن این‌که کدام نوع نورون درگیر است، برای توسعه درمان‌های موثر ضروری است. این مطالعه با تولید تعداد بی‌سابقه‌ای از انواع سلول‌های عصبی، راه را برای تحقیقات دقیق‌تر هموار کرده است.
   
چگونگی پژوهش
در گذشته وقتی دانشمندان سلول‌های عصبی را از سلول‌های بنیادی در ظروف پتری برای آزمایش‌های خود تولید می‌کردند، در نظر گرفتن تنوع گسترده آنها امکان‌پذیر نبود. تاکنون محققان تنها روش‌هایی را برای رشد چند ده نوع مختلف سلول عصبی در شرایط آزمایشگاهی(in vitro)توسعه داده بودند.آنهااین کار را بااستفاده ازمهندسی ژنتیک یابا افزودن مولکول‌های سیگنال‌دهنده برای فعال کردن مسیرهای سیگنال‌دهی سلولی خاص انجام می‌دادند. با این حال آنها هرگز به تنوع صدها یا هزاران نوع سلول عصبی مختلف که در واقع وجود دارند، نزدیک هم نشدند.این پروژه با استفاده از سلول‌های بنیادی پرتوان القایی انسانی (iPSCs) که از سلول‌های خونی بازبرنامه‌ریزی شده‌اند، انجام شد. این سلول‌ها توانایی تبدیل به هر نوع سلولی در بدن را دارند و به همین دلیل ابزار قدرتمندی برای مطالعه بیماری‌ها در محیط آزمایشگاهی هستند. با این حال، چالش اصلی محققان این بود که چگونه این سلول‌ها را به انواع خاصی از نورون‌ها هدایت کنند که ویژگی‌های خاص مغز انسان را داشته باشند.
   
فناوری‌های نوین در خدمت تحقیقات عصبی
برای دستیابی به این تنوع بی‌سابقه در سلول‌های عصبی، پژوهشگران از ترکیبی از فناوری‌های پیشرفته استفاده کردند. آنها با آزمایش ترکیب‌های مختلف مورفوژن‌ها و تنظیم‌کننده‌های ژنی، توانستند سلول‌های بنیادی را به بیش از ۴۰۰ نوع نورون مختلف هدایت کنند. این نورون‌ها شامل انواع مختلفی بودند که در سیستم عصبی محیطی یا مغز یافت می‌شوند و حتی می‌توانند حس‌هایی مانند درد، سرما یا حرکت را درک کنند.
یکی از ابزارهای کلیدی در این مطالعه، استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین برای شناسایی و طبقه‌بندی انواع سلول‌های عصبی تولیدشده بود. این الگوریتم‌ها به پژوهشگران امکان داد تا حجم عظیمی از داده‌های ژنتیکی و عملکردی را تحلیل و مشخص کنند که هر نوع نورون به کدام بخش از مغز تعلق دارد یا چه نقشی ایفا می‌کند. این رویکرد نه‌تنها دقت شناسایی را افزایش داد بلکه سرعت تحلیل داده‌ها را نیز به‌طور چشمگیری بهبود بخشید. دکتر هسیو-چوان لین، یکی از نویسندگان اصلی مطالعه توضیح می‌دهد: «ما با استفاده از این روش توانستیم نورون‌هایی تولید کنیم که ویژگی‌های بسیار خاصی دارند، مانند نورون‌هایی که در بیماری پارکینسون یا آلزایمر تحت‌تاثیر قرار می‌گیرند.» این امکان به پژوهشگران اجازه می‌دهد تا مدل‌های سلولی دقیق‌تری برای مطالعه این بیماری‌ها ایجاد کنند و اثرات داروهای جدید را بدون نیازبه آزمایش‌های حیوانی بررسی کنند.
   
پیامدهای این کشف برای درمان بیماری‌های عصبی
این دستاورد پتانسیل بالایی برای پیشرفت در درمان بیماری‌های عصبی مانند آلزایمر، پارکینسون، اسکیزوفرنی، صرع، اختلالات خواب و مولتیپل اسکلروزیس دارد. با دسترسی به بیش از ۴۰۰ نوع سلول عصبی، پژوهشگران اکنون می‌توانند مدل‌های کشت سلولی ایجاد کنند که به‌ طور دقیق‌تری بیماری‌های انسانی را شبیه‌سازی می‌کنند. این مدل‌ها برای آزمایش داروهای جدید و ارزیابی اثرات آنها بدون نیاز به آزمایش‌های حیوانی بسیار ارزشمند هستند.
یکی از چالش‌های اصلی در تحقیقات آلزایمر و پارکینسون، ناتوانی در شناسایی دقیق نوع نورون‌های درگیر در بیماری بوده است. پروفسور تروتلین تاکید می‌کند: «اگر بخواهیم مدل‌های کشت سلولی برای بیماری‌هایی مانند آلزایمر یا پارکینسون توسعه دهیم، باید نوع خاص نورون‌های درگیر را در نظر بگیریم.» این مطالعه با تولید نورون‌هایی که ویژگی‌های خاص مناطق مختلف مغز را دارند، این مشکل را برطرف کرده است.
علاوه‌بر این، این دستاورد می‌تواند راه را برای درمان‌های جایگزینی نورون‌ها باز کند. در آینده، ممکن است بتوان نورون‌های آسیب‌دیده در بیماری‌هایی مانند پارکینسون را با نورون‌های سالم تولید‌شده از سلول‌های بنیادی جایگزین کرد. اگرچه تروتلین اذعان می‌کند که هنوز راه درازی تا تولید همه انواع نورون‌های موجود در مغز در آزمایشگاه باقی مانده است اما این مطالعه گامی بزرگ در این مسیر محسوب می‌شود.
   
​​​​​​​آینده‌ای روشن برای تحقیقات عصبی
تولید بیش از ۴۰۰ نوع سلول عصبی در آزمایشگاه، نقطه عطفی در تحقیقات علوم اعصاب است. این دستاورد نه‌تنها درک ما از پیچیدگی‌های مغز انسان را عمیق‌تر می‌کند بلکه ابزارهای جدیدی برای مطالعه و درمان بیماری‌های عصبی فراهم می‌آورد. با استفاده از این مدل‌های سلولی، پژوهشگران می‌توانند مکانیسم‌های بیماری‌هایی مانند آلزایمر و پارکینسون را با دقت بیشتری بررسی کنند و درمان‌های موثرتری توسعه دهند.
این مطالعه همچنین نشان‌دهنده قدرت فناوری‌های مدرن مانند یادگیری ماشین و سلول‌های بنیادی در پیشبرد علم است. همان‌طور که پژوهشگران به بهبود این روش‌ها ادامه می‌دهند، انتظار می‌رود که اکتشافات بیشتری در زمینه علوم اعصاب و درمان بیماری‌های مرتبط با مغز به دست آید. این دستاورد، امیدی تازه برای میلیون‌ها نفری که از بیماری‌های عصبی رنج می‌برند، ایجاد کرده و راه را برای درمان‌های نوآورانه در آینده هموار می‌کند.