فناوری جدید نقشه‌برداری مغز می‌تواند درمان اختلالات عصبی را متحول کند!

فناوری START موسسه سالک با دقت بی‌نظیری اتصالات مغزی را نقشه‌برداری کرده و الگوهای منحصر‌به‌فردی را در زیرمجموعه‌ی نورون‌های بازدارنده آشکار می‌کند. این فناوری می‌تواند به توسعه درمان‌های هدفمند برای بیماری‌های عصبی کمک کند.

محققان موسسه سالک فناوری جدیدی را توسعه داده‌اند که دو تکنولوژی پیشرفته گذشته، یعنی ردیابی ویروس هاری و ترنسکریپتومیکس تک‌سلولی را با هم ترکیب می‌کند تا اتصالات پیچیده نورون‌های مغزی را با دقت بی‌سابقه‌ای نقشه‌برداری کنند.

با استفاده از این تکنیک که ردیابی هاری با ترنسکریپتوم واحد (START) نامیده می‌شود، پژوهشگران برای اولین بار الگوی اتصالات نورون‌های بازدارنده در قشر مغزی را شناسایی کردند.

آن‌ها می‌گویند که این قابلیت برای نقشه‌برداری از زیرمجموعه‌های نورونی می‌تواند به توسعه درمان‌های جدیدی منجر شود که به طور خاص نورون‌ها و مدارهای خاص مغزی را هدف قرار می‌دهند. چنین درمان‌هایی می‌توانند مؤثرتر بوده و عوارض جانبی کمتری نسبت به رویکردهای دارویی فعلی داشته باشند.

پیشرفت در نقشه‌برداری مغز

این مطالعه که در ۳۰ سپتامبر در مجله Neuron منتشر شد، اولین مطالعه‌ای است که اتصالات قشری را در سطح انواع سلول‌های ترنسکریپتومی حل می‌کند.

ادوارد کالاوِی، استاد و رئیس دپارتمان نورو‌بیولوژی مولکولی در سالک، گفت:

پیش از این در درمان اختلالات عصبی و روانی، ما اساساً سعی داشته‌ایم ماشینی را تعمیر کنیم بدون اینکه کاملاً اجزای آن را بفهمیم. START به ما کمک می‌کند تا نقشه دقیقی از اجزای مختلف مغز و نحوه اتصال آن‌ها ایجاد کنیم.

او این کار را به تعمیر ماشینی تشبیه می‌کند بدون اینکه بدانیم موتور یا محور چیست! اما اگر نقشه‌ای از اجزای ماشین داشته باشیم، می‌توانیم بفهمیم که چگونه با هم کار می‌کنند تا چرخ‌ها را به حرکت درآورند. این دانش مشکلات را راحت‌تر شناسایی کرده و ابزارهای لازم برای تعمیر را مشخص می‌کند.

طبقه‌بندی و اتصال نورون‌ها

هنگامی توصیف اجزای مغز، نورون‌ها ابتدا به دو دسته گسترده تقسیم می‌شوند: نورون‌های تحریکی (که موجب تحریک یک فعالیت در مغز می‌شوند) و نورون‌های بازدارنده (که فعالیت‌ها را سرکوب می‌کنند)، چیزی شبیه به پدال گاز و ترمز در ماشین. سپس می‌توان هر کدام از آن‌ها را به زیرمجموعه‌هایی تقسیم کرد: نورون‌های تحریکی با توجه به لایه‌ای از مغز که در آن قرار دارند دسته‌بندی شده، در حالیکه نورون‌های بازدارنده با توجه به نوع پروتئین‌های نشانه‌ای که تولید می‌کنند، شناسایی می‌شوند.

پیشرفت‌های اخیر در ترنسکریپتومیکس اکنون اجازه می‌دهد تا تعداد این زیرمجموعه‌ها بیشتر از قبل شوند. با استفاده از توالی‌یابی RNA تک‌سلولی، دانشمندان می‌توانند سلول‌هایی با الگوهای بیان ژن مشابه را گروه‌بندی کرده و هر خوشه را به‌عنوان یک زیرمجموعه خاص نورونی تعریف کنند.

کالاوِی می‌گوید:

تعریف یک نوع سلول کاری بسیار پیچیده است زیرا ممکن است سلول‌ها را بسته به روشی که برای بررسی آن‌ها استفاده می‌کنید، متفاوت گروه‌بندی کنید. دو سلول ممکن است الگوهای بیان ژن کمی متفاوت داشته باشند اما عملکرد مشابهی انجام دهند، یا دو سلول با الگوی بیان ژنی مشابه ممکن است با توجه به آناتومی، اتصالات یا فیزیولوژی خود متفاوت باشند. اگر فقط یکی از این ویژگی‌ها را در نظر بگیرید، ممکن است سلول‌ها را به تعداد گروه‌های بیش از حد یا کمتر تقسیم کنید. START به ما کمک می‌کند بفهمیم که کدام سطح طبقه‌بندی برای عملکرد مدار مغز معنادار است و این به ما کمک می‌کند بفهمیم کدام سلول‌ها را با درمان‌های جدید هدف قرار دهیم.

کاربرد و آینده START

برای ایجاد START، آزمایشگاه کالاوِی روشی را برای ترکیب توالی‌یابی RNA تک‌سلولی با تکنیک ردیابی ویروس هاری یک‌سیناپسی که قبلاً توسعه داده بود، یافت. این روش اجازه می‌دهد تا ویروسی تغییریافته از یک نوع سلول مورد مطالعه به سلول‌هایی که به طور مستقیم به آن متصل هستند، منتقل شود. با تشخیص اینکه مسیر ویروس کجا به پایان می‌رسد، محققان می‌توانند نقشه‌ای از سلول‌هایی که به هم متصل هستند ترسیم کنند.

محققان ابتدا از ابزار جدید خود برای بررسی الگوهای اتصالات در قشر بینایی موش استفاده کردند. START توانست حدود ۵۰ زیرمجموعه مختلف از نورون‌های بازدارنده در این منطقه را کشف کرده و اتصالات آن‌ها با نورون‌های تحریکی در هر لایه از قشر را نقشه‌برداری کند. یافته‌های محققان الگوهای متمایزی از اتصالات را در میان زیرمجموعه‌های ترنسکریپتومی مختلف نورون‌های بازدارنده شناسایی کرد که با روش‌های قبلی قابل تشخیص نبود.

نویسنده اول مقاله ماریبل پاتینو، دانشجوی سابق دکتری در آزمایشگاه کالاوِی و دستیار فعلی روان‌پزشکی در دانشکده پزشکی UC سن دیگو می‌گوید:

مردم اغلب همه نورون‌های بازدارنده را به‌عنوان یک گروه یکنواخت در نظر می‌گیرند، اما آن‌ها در واقع بسیار متنوع هستند، و تلاش برای مطالعه یا هدف‌گیری بالینی آن‌ها به‌عنوان یک گروه کلی می‌تواند تفاوت‌های مهمی که برای عملکرد مغز و بیماری‌ها حیاتی هستند را پنهان کند.

START نشان داد که هر لایه از نورون‌های تحریکی در قشر مغز ورودی‌های انتخابی از زیرمجموعه‌های خاص ترنسکریپتومی نورون‌های بازدارنده Sst، Pvalb، Vip و Lamp5 دریافت می‌کند. اتصالات منحصر‌به‌فرد هر زیرمجموعه به ایجاد مدارهای کوچک پیچیده‌ای کمک می‌کند که احتمالاً در تولید عملکردهای خاص مغزی نقش دارند.

برای مثال، محققان توانستند زیرمجموعه‌ای از نورون‌های بازدارنده به نام Sst Chodl را شناسایی کنند که گمان می‌رود با تنظیم خواب مرتبط باشند. با استفاده از START، آن‌ها دریافتند که نورون‌های زیرمجموعه Chodl به‌طور فشرده با نورون‌های تحریکی لایه ۶ متصل هستند که به ناحیه تالاموس تاثیر می‌گذارند و برای هماهنگ کردن ریتم‌های خواب شناخته شده‌اند.

این وضوح بی‌سابقه به عصب‌شناسان اجازه می‌دهد تا به کشف‌های خود ادامه دهند که چگونه زیرمجموعه‌های خاص نورونی مدارهای مغز را شکل می‌دهند تا افکار، ادراکات، احساسات و رفتارهای ما را تولید کنند.

گام بعدی محققان ایجاد بردارهای ویروسی و فناوری‌های ویرایش ژن است که هر زیرمجموعه سلولی خاص را هدف قرار می‌دهد. در آینده، این ابزارها می‌توانند به درمان‌های جدیدی تبدیل شوند که به‌طور انتخابی جمعیت‌های نورونی خاصی را که در شرایطی مانند اوتیسم، سندرم رِت و اسکیزوفرنی دخیل هستند، تغییر دهند.

کالاوِی می‌گوید:

ما دقیقاً نمی‌دانیم که این اطلاعات چگونه در ۱۰ یا ۲۰ سال آینده استفاده خواهد شد، اما آنچه می‌دانیم این است که فناوری‌ها به سرعت در حال تغییر هستند و روشی که امروز مغز با داروها درمان می‌شود، همان روشی نیست که در آینده درمان خواهد شد. START می‌تواند به پیشبرد این نوآوری‌ها کمک کند، به‌طوری که ویروس‌ها و منابع برای استفاده کل جامعه عصب‌شناسی در دسترس باشد.

منبع: Scitechdaily