تاریخ: 4 اکتبر 2021
منبع: دانشگاه ییل
خلاصه: محققان تغییرات کلیدی در بیان ژن و ساختار مغز انسان در حال رشد را شناسایی کرده‌اند که آن را در بین تمام گونه‌های جانوری منحصربه‌فرد می‌کند.
حدود چهار یا پنج ماه پس از لقاح، یک انفجار سیناپسی در قشر پیش پیشانی مغز (PFC) جنین انسان شروع می‌شود. در درون این توده پیچیده پر از ارتباطات، مغز در حال رشد ویژگی‌های منحصربه‌فردی را به دست می‌آورد که انسان‌ها را قادر به تفکر انتزاعی، زبان و تعاملات اجتماعی پیچیده می‌کند.
اما مواد مولکولی لازم برای شکوفایی سیناپس‌ها و ایجاد چنین تغییرات عمیقی در مغز چیست؟ در دو مقاله منتشر شده در 29 سپتامبر در مجله Nature، محققان ییل تغییرات کلیدی در بیان ژن و ساختار مغز انسان در حال رشد را شناسایی کرده‌اند که آن را در بین تمام گونه‌های جانوری منحصربه‌فرد می‌کند.
به گفته محققان، این بینش‌ها می‌تواند پیامدهای عمیقی برای درک اختلالات رشدی یا مغزی رایج داشته باشد.
نِناد سِستان، استاد علوم اعصاب هاروی و کِیت کوشینگ در دانشگاه ییل، پروفسور طب تطبیقی ژنتیک و روان‌پزشکی و نویسنده ارشد هر دو مقاله گفت: «این شگفت‌انگیز و تا حدودی ناامیدکننده است که ما هنوز نمی‌دانیم چه چیزی مغز انسان را از مغز سایر گونه‌های نزدیک به هم متفاوت می‌کند. دانستن این موضوع فقط یک کنجکاوی فکری برای توضیح اینکه ما به‌عنوان یک گونه هستیم، نیست. بلکه ممکن است به ما در درک بهتر اختلالات عصبی روان‌پزشکی مانند اسکیزوفرنی و اوتیسم کمک کند».
برای این مطالعات، گروه آزمایشگاهی سِستان تجزیه‌وتحلیل گسترده‌ای از بیان ژنی که در قشر پیش پیشانی مغز انسان، میمون ماکاک و موش در میانه رشد جنین رخ می‌دهد انجام داد و سپس شباهت‌ها و تفاوت‌های بین گونه‌ها را شناسایی کرد.
عامل مهم در تعیین شباهت‌ها و تفاوت‌های مشاهده‌شده در مغز در حال رشد
آن‌ها دریافتند که یک عامل مهم در تعیین شباهت‌ها و تفاوت‌های مشاهده‌شده در مغز در حال رشد این گونه‌ها، غلظت رتینوئیک اسید یا RA است که محصول جانبی ویتامین A است و برای رشد هر اندام ضروری است. رتینوئیک اسید بیش‌ازحد یا خیلی کم می‌تواند منجر به ناهنجاری‌های رشدی شود.
در مقاله اول، یک گروه تحقیقاتی به سرپرستی میکیهیتو شیباتا و کارتیک پاتابیرامان، هر دو از دانشکده پزشکی ییل، دریافتند که رتینوئیک اسید در قشر پیش پیشانی مغز در طول سه‌ماهه دوم که حیاتی‌ترین زمان برای تشکیل مدارهای عصبی و اتصالات است، افزایش می‌یابد. این افزایش رتینوئیک اسید در این مرحله در موش‌ها و ماکاکها نیز مشاهده شد.
هنگامی‌که محققان سیگنال‌های رتینوئیک اسید را در قشر پیش پیشانی مغز موش‌ها مسدود کردند، حیوانات نتوانستند مدارها و اتصالات خاصی را در مناطقی از مغز ایجاد کنند که در انسان برای حافظه کاری و شناخت ضروری است. در انسان، همین مسیر در طول رشد در بیماران مبتلا به اسکیزوفرنی و اختلالات طیف اوتیسم نیز مختل می‌شود که نشان می‌دهد این اختلالات ممکن است ریشه‌های مشابهی در طول تکامل داشته باشند.
بااین‌حال، بررسی دقیق ژن‌هایی که رتینوئیک اسید را در قشر پیش پیشانی مغز هم سنتز و هم خاموش می‌کنند، تفاوت‌های مهمی را بین موش‌ها و پستانداران نشان داد. برای مثال، در موش‌ها، ژن CYP26B1 فعالیت رتینوئیک اسید را فراتر از قشر کوچک پیش پیشانی مغز حیوان محدود می‌کند. بااین‌حال، زمانی که محققان این ژن را در موش‌ها مسدود کردند، مناطقی از مغز آن‌ها که با مهارت‌های حسی و حرکتی مرتبط است، شبیه سیم‌کشی سیناپسی قشر پیش پیشانی مغز شد. این یافته بیشتر نقش مهم رتینوئیک اسید در گسترش قشر پیش پیشانی مغز – و در ایجاد پیچیدگی مغزی بیشتر – در انسان و سایر پریماتها را تأیید می‌کند.
پاتابیرامان، یکی از همکاران بالینی در مرکز مطالعات کودکان ییل و یکی از نویسندگان هر دو مقاله، گفت: «رتینوئیک اسید اولین دومینویی است که سقوط می‌کند و شبکه‌های ژنی پیچیده‌ای را به حرکت درمی‌آورد که منجر به تکامل نواحی مغز مرتبط با تفکر انسان می‌شود».
نقش اسید رتینوئیک
سپس محققان بررسی کردند که اسید رتینوئیک چگونه این کار را انجام می‌دهد.
رشد مغز انسان با انفجار رشد سیناپسی در سه‌ماهه دوم مشخص می‌شود. این اتصالات در قشر پیش پیشانی مغز شروع می‌شوند اما به‌تدریج با نزدیک شدن به نورون‌های حسی و حرکتی به سمت عقب مغز کاهش می‌یابند.
برای درک بهتر چرایی این امر، شیباتا و پاتابیرامان در مطالعه دوم بر روی ژن CBLN2 تمرکز کردند که در قشر پیش پیشانی مغز وجود دارد و نقش کلیدی در ایجاد این ارتباطات ایفا می‌کند. این ژن نیز مستقیماً توسط رتینوئیک اسید تنظیم می‌شود. آن‌ها دریافتند که CBLN2 زودتر در قسمت جلویی مغز انسان در حال رشد نسبت به سایر قسمت‌های مغز روشن می‌شود. علاوه بر این، آن‌ها دریافتند که این ژن مدت‌زمان طولانی‌تر و در ناحیه وسیع‌تری از مغز انسان نسبت به ماکاک یا موش بیان می‌شود که نشان‌دهنده نقش مرکزی قشر پیش پیشانی مغز در پیدایش ویژگی‌های خاص انسان است.
محققان همچنین حذف ژنومی کوچکی را در نزدیکی ژن CBLN2 شناسایی کردند که در تکامل انسان و شامپانزه حفظ شده است اما در حیوانات دیگر حفظ نشده است. برای اینکه ببینند آیا این حذف‌شدگی‌ها نقشی در رشد اتصالات قشر پیش پیشانی مغز داشتند یا نه این حذف‌شدگی‌ها را وارد ژنوم موش کردند. موش‌هایی که این حذف‌شدگی‌ها را داشتند، بیان ژن CBLN2 شبیه انسان داشتند و افزایش 30 درصدی اتصالات در قشر پیش پیشانی مغز موش بالغ را نشان دادند.
در مجموع، این دو مقاله نشان می‌دهند که مسیر درک مکانیسم‌های ژنتیکی زیربنای توانایی‌های شناختی پیشرفته با تولید موضعی رتینوئیک اسید شروع می‌شود که سپس ژن‌های مختلف پایین‌دستی ازجمله CBLN2 را فعال می‌کند. این امر دیکته می‌کند که کجا و چه زمانی این ارتباطات حیاتی مغز شکل بگیرد.
سِستان گفت: «قشر پیش پیشانی مغز اطلاعات سایر قسمت‌های سیستم عصبی مرکزی را یکپارچه می‌کند و کنترل از بالا به پایین توجه، فکر، احساسات و اعمال را فراهم می‌کند. همچنین در اختلالات عملکردی بسیاری از اختلالات عصبی و روان‌پزشکی نقش اساسی دارد. تغییرات ظریف در ارتباطاتی که ذهن انسان را ایجاد می‌کند ممکن است باعث بیمار شدن او نیز شود».
بیشتر بخوانید : آنتی‌بیوتیک‌ها در اوایل زندگی می‌توانند بر رشد مغز تأثیر بگذارند
منبع:
- Mikihito Shibata, Kartik Pattabiraman, Belen Lorente-Galdos, David Andrijevic, Suel-Kee Kim, Navjot Kaur, Sydney K. Muchnik, Xiaojun Xing, Gabriel Santpere, Andre M. M. Sousa, Nenad Sestan. Regulation of prefrontal patterning and connectivity by retinoic acid. Nature, 2021; DOI: 10.1038/s41586-021-03953-x
- Mikihito Shibata, Kartik Pattabiraman, Sydney K. Muchnik, Navjot Kaur, Yury M. Morozov, Xiaoyang Cheng, Stephen G. Waxman, Nenad Sestan. Hominini-specific regulation of CBLN2 increases prefrontal spinogenesis. Nature, 2021; DOI: 10.1038/s41586-021-03952-y
