نقشه برداری از آخرین مرز مغز انسان؛ دستاورد بی‌ سابقه دانشمندان هندی در تصویربرداری سلولی

بیش از یک قرن است که دانشمندان علوم اعصاب، مغز انسان را تا حد زیادی شبیه به نقشه‌برداران اولیه که سرزمین‌های ناشناخته را ترسیم می‌کردند، مطالعه کرده‌اند؛ یعنی کنار هم قرار دادن یک چشم‌انداز وسیع بر اساس مشاهدات پراکنده. حتی امروزه، آسیب‌شناسانی که اختلالاتی مانند بیماری آلزایمر را تشخیص می‌دهند، معمولاً مشتی از نمونه‌های بافتی یک ارگان حاوی حدود ۸۶ میلیارد نورون را بررسی می‌کنند. به این ترتیب، بخش اعظم این چشم‌انداز زیستی همچنان ناشناخته و دیده‌نشده باقی می‌ماند.

به گزارش بخش اخبار پزشکی زوم تک به نقل از بی‌بی‌سی، دانشمندان «مرکز مغز سودا گوپالاکریشنان» (SGBC) در مؤسسه فناوری هند، مدرس (IIT-M) بر این باورند که گام مهمی در جهت پر کردن یکی از بزرگ‌ترین شکاف‌های علوم اعصاب برداشته‌اند. آن‌ها چیزی را تولید کرده‌اند که آن را دقیق‌ترین اطلس سه‌ بعدی مغز انسان در سطح رزولوشن سلولی در جهان توصیف می‌کنند؛ یک نقشه دیجیتال مغز که به دانشمندان اجازه می‌دهد به صورت یکپارچه از اسکن‌های ام‌آر‌آی (MRI) کل مغز به تک‌تک سلول‌های عصبی سفر کنند.

رونمایی از اطلس سه‌بعدی Anchor؛ انقلابی در نقشه‌برداری ساقه مغز

این پروژه که اطلس Anchor (اطلس مشخصات عصبی-شیمیایی ساقه مغز انسان با بازسازی سه‌بعدی) نامیده می‌شود، بیش از ۵۰۰ بخش بافتی از مغز جنین، کودک و بزرگسال را با هم ترکیب می‌کند. این اطلس که به جای تکنیک‌های پرهزینه مولکولی، از تصاویر میکروسکوپی با رزولوشن بالا ساخته شده است، یک نقشه سه‌بعدی دقیق از ساقه مغز ایجاد می‌کند و بیش از ۲۰۰ خوشه از سلول‌های مغزی و مسیرهای عصبی را شناسایی می‌نماید.

هشت نشانگر شیمیایی به تمایز انواع مختلف سلول‌ها کمک می‌کنند و یکی از واضح‌ترین تصاویر را تا به امروز از این بخش حیاتی اما کمتر شناخته‌شده مغز ارائه می‌دهند. ساقه مغز تنها بخش کوچکی از مغز را اشغال می‌کند، با این حال انسان را زنده نگه می‌دارد. این بخش، مغز را به نخاع متصل کرده و تنفس، ضربان قلب، خواب، بیداری و حرکت را کنترل می‌کند. آسیب به خوشه‌های کوچک سلولی در داخل آن می‌تواند فاجعه‌بار باشد، اما ساختار به هم فشرده و متراکم این ناحیه، مدت‌هاست که تلاش‌ها برای نقشه‌برداری دقیق از آن را با مشکل مواجه کرده است.

پیوند میان تصویربرداری پزشکی و آسیب‌ شناسی سلولی

اهمیت اطلس Anchor صرفاً در تولید یک نقشه آناتومیک دیگر نیست، بلکه در اتصال دو دنیایی است که تا حد زیادی از هم جدا مانده بودند: تصویربرداری پزشکی که مغز را به عنوان یک کل نشان می‌دهد، و آسیب‌شناسی سلولی که آن را سلول به سلول آشکار می‌سازد.

شوبها تول، دانشمند علوم اعصاب هندی در مؤسسه تحقیقات بنیادی تاتا، با توصیف این پروژه به عنوان یک «تلفیق بی‌سابقه» از مهندسی، علوم اعصاب و پزشکی می‌گوید: «ما شاهد یک برنامه چشم‌انداز محور هستیم که هند را در جایگاه بین‌المللی قرار می‌دهد.»

پزشکان معمولاً بررسی خود را با معاینه کل مغز در کالبدشکافی یا بافت برداشته‌شده در حین جراحی مغز و اعصاب آغاز می‌کنند. مغز یک فرد بزرگسال حدود ۱.۲ تا ۱.۵ کیلوگرم وزن دارد و چین‌خوردگی‌ها و ساختارهای اصلی آن می‌توانند نشانه‌های مهمی را قبل از شروع معاینه میکروسکوپی آشکار کنند.

ربکا فولکرث، وابسته به دانشکده پزشکی هاروارد و دانشگاه نیویورک که با تیم SGBC همکاری داشته است، می‌گوید: «به عنوان یک نوروپاتولوژیست، من قبل از نگاه کردن به تکه‌های کوچک زیر میکروسکوپ، بررسی یک مغز کامل را با چشم غیرمسلح آغاز می‌کنم. برای بیماری آلزایمر، ما ممکن است تنها ۱۵ تا ۲۰ بخش را بررسی کنیم که فقط کسری از درصد کل این ارگان است.»

این روش از زمان فعالیت‌های پیشگامانه سانتیاگو رامون ای کاخال، دانشمند علوم اعصاب اسپانیایی در بیش از یک قرن پیش، مرسوم بوده است. ام‌آر‌آی مدرن کل مغز را نشان می‌دهد اما فاقد جزئیات سلولی است؛ میکروسکوپ‌ها سلول‌های فردی را آشکار می‌کنند اما این کار را فقط در برش‌های ایزوله و جداگانه انجام می‌دهند.

فولکرث که در طول بیش از سه دهه هزاران مغز را معاینه کرده است، به بی‌بی‌سی گفت: «آنچه مرکز هندی ایجاد کرده، در واقع همان چیزی است که من در اوایل فعالیت حرفه‌ای خود رویای آن را داشتم؛ این که اسکن‌های مغزی با آناتومی میکروسکوپی مغز مطابقت داشته باشند.»

کاربردهای گسترده در تشخیص و درمان بیماری‌ های عصبی

پروژه Anchor تلاش می‌کند این شکاف را از بین ببرد. کاربران می‌توانند از کل ساقه مغز دیده شده در MRI تا سطح نورون‌های فردی زوم کنند، در حالی که روابط فضایی دقیق آن‌ها حفظ می‌شود. محققان این اطلس را به صورت رایگان آنلاین در دسترس قرار داده‌اند و امیدوارند که به یک ابزار مرجع برای دانشمندان علوم اعصاب، متخصصان مغز و اعصاب و جراحان مغز و اعصاب در سراسر جهان تبدیل شود. کاربردهای آن می‌تواند بسیار فراتر از آناتومی گسترش یابد.

با مقایسه نقشه‌های ساقه مغز سالم با بافت‌های بیمار، دانشمندان ممکن است اختلالاتی از جمله بیماری پارکینسون، سکته مغزی، بیماری آلزایمر و سندرم مرگ ناگهانی نوزاد (SIDS) را بهتر درک کنند. نقشه‌های دقیق‌تر همچنین می‌توانند به جراحان مغز و اعصاب کمک کنند تا با اطمینان بیشتری در یکی از ظریف‌ترین مناطق مغز به جراحی بپردازند.

اطلس Anchor یک ابزار تشخیصی نیست. در عوض، بزرگ‌ترین ارزش آن در سوالاتی است که می‌تواند به پاسخ آن‌ها کمک کند. پارتا میترا، دانشمند علوم مغز در آزمایشگاه معتبر کلاسترینگ کلد اسپرینگ هاربر نیویورک که با SGBC همکاری کرده است، می‌گوید اطلس‌های دقیق مغز مانند این می‌توانند با آشکار کردن سلول به سلول تفاوت مغزهای آسیب‌دیده از شرایطی مانند آلزایمر یا اوتیسم با مغزهای سالم، «تأثیر تحول‌آفرینی» بر مطالعه بیماری‌های عصبی داشته باشند.

میترا به بی‌بی‌سی گفت که این اطلس همچنین می‌تواند به توضیح اینکه چگونه عفونت‌ها، از جمله کووید-۱۹، باعث آسیب‌های عصبی طولانی‌مدت می‌شوند، کمک کند. با استفاده از نمونه سکته مغزی، فولکرث می‌گوید این اطلس ویژگی‌های جدیدی را کشف کرده است که می‌تواند به پزشکان کمک کند بافت مغزی را که آسیب دیده اما هنوز غیرقابل ترمیم نشده است، حفظ کنند و پتانسیل بهبود نتایج درمانی بیماران را افزایش دهند. دانشمندان دیگر می‌گویند این اطلس همچنین می‌تواند به جراحان مغز و اعصاب کمک کند تا با ایمنی بیشتری در ساقه مغز حرکت کنند.

تلفیق هوشمندانه مهندسی، پردازش داده و علوم زیستی

بخشی از جذابیت این اطلس در سادگی فرآیند پیاده‌سازی آن نهفته است. این روش که از تصاویر با رزولوشن بالا از برش‌های نازک بافت مغز پس از مرگ ساخته شده است، نقشه‌برداری دقیق در سطح سلولی را مقرون‌به‌صرفه می‌کند. میترا می‌گوید همین ویژگی، ترسیم ساقه مغز انسان را در مقیاسی بی‌سابقه امکان‌پذیر کرده است.

این دستاورد منعکس‌کننده یک تحول گسترده‌تر در علوم اعصاب است، جایی که پیشرفت به همان اندازه که به زیست‌شناسی وابسته است، به مهندسی و محاسبات کامپیوتری نیز بستگی دارد. حدود ۲۰ دانشمند ۱۸ ماه را در SGBC صرف تحلیل دستی بیش از ۲۰۰ بخش مغز کردند و اسکن‌های MRI، آناتومی میکروسکوپی و بازسازی سه‌بعدی را در یک اطلس دیجیتال واحد ترکیب نمودند. این مرکز اکنون بیش از ۲۰۰ محقق، مهندس و تکنسین را گرد هم آورده است که با همکاران خود در سراسر جهان فعالیت می‌کنند.

نتیجه این تلاش‌ها به رفع یک شکاف غافلگیرکننده در علوم اعصاب کمک می‌کند. موهاناسانکار سیواپراکاسام، رئیس SGBC به بی‌بی‌سی گفت دانشمندان مغز چندین گونه جانوری را با جزئیات شگفت‌انگیزی نقشه‌برداری کرده‌اند، اما مغز انسان در مقایسه با آن‌ها کمتر ترسیم شده است، زیرا مطالعات دقیق روی بافت مغز انسان کمیاب است.

این بدان معنا نیست که دانشمندان فاقد اطلس‌های مغزی بوده‌اند. میترا می‌گوید: «اطلس‌های مختلف، کارهای متفاوتی انجام می‌دهند.» اطلس‌های مبتنی بر ام‌آر‌آی ساختار وسیع مغز را ثبت می‌کنند اما سلول‌های فردی را نشان نمی‌دهند. اطلس‌های بافت‌شناسی معماری آن را در رزولوشن سلولی با استفاده از تصاویر میکروسکوپی از برش‌های بافتی نقشه‌برداری می‌کنند. رویکردهای مولکولی جدیدتر یک گام فراتر رفته و هویت دقیق هر سلول را شناسایی می‌کنند.

اما دانشمندان هنوز اطلاعات بسیار کمی درباره نحوه توزیع حدود ۲۰,۰۰۰ پروتئین مغز در مناطق مختلف و انواع سلول‌ها دارند؛ مرزی که احتمالاً نسل بعدی نقشه‌برداری مغز را تعریف خواهد کرد. فولکرث می‌گوید: «هر مغز، یک صندوقچه گنج از دانش جدید است.»

مرکز SGBC اکنون در نظر دارد از بیش از ۱۰۰ مغز کامل انسان در مراحل مختلف زندگی و مبتلا به اختلالات عصبی، از جمله بیماری آلزایمر و زوال عقل، تصویربرداری کند و یک کتابخانه مرجع ایجاد کند که بتواند نشان دهد بیماری چگونه مغز را سلول به سلول بازسازی و تخریب می‌کند. اطلس جدید اسرار مغز انسان را حل نخواهد کرد، اما با دادن نقشه‌ای بسیار دقیق‌تر به دانشمندان، ممکن است به آن‌ها کمک کند تا سوالات بهتری را مطرح کرده و در نهایت به آن‌ها پاسخ دهند.