رمزگشایی اسرار مغز انسان؛ چه چیزی ما را منحصر‌به‌فرد می‌کند؟

مغز انسان به‌عنوان عضوی برجسته شناخته می‌شود که ما را به‌طور متمایز از سایر پستانداران جدا می‌کند و اندازه، پیچیدگی و عملکرد استثنایی آن از هر گونه دیگری در زمین فراتر است. انسان‌ها در بیش از ۹۵ درصد از ژنوم خود با شامپانزه‌ها، نزدیک‌ترین خویشاوندان زنده ما، اشتراک دارند. با این حال دقیقاً چه چیزی مغز ما را از دیگر موجودات متمایز می‌کند؟

سوجین یی، استاد دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، از دپارتمان بوم‌شناسی، تکامل و زیست‌شناسی دریایی، به همراه دانشجوی دکترای خود دنیس جاشی و همکارش گابریل سانتپره از مؤسسه تحقیقات پزشکی بیمارستان دل‌مار در بارسلونا، به بررسی تکامل ژن‌ها در انواع مختلف سلول‌های مغزی در مقایسه با شامپانزه‌ها پرداخته‌اند.

پژوهش آن‌ها نشان داد در حالی‌که ژن‌های انسانی تقریباً همان پروتئین‌هایی را که سایر پستانداران عالی تولید می‌کنند، در خود دارند، بسیاری از ژن‌های انسانی بهره‌وری بسیار بالاتری نسبت به سایر پستانداران دارند. این یافته‌ها بر نقش حیاتی بیان ژن در تکامل و عملکرد پیشرفته مغز انسان تأکید دارند.

تفسیر نقشه‌های طبیعت

هر ژن به سلول می‌گوید که یک مولکول خاص را بسازد، اما این وظیفه مستقیماً توسط DNA انجام نمی‌شود. در عوض، اطلاعات از طریق مولکولی به نام RNA پیام‌رسان (mRNA) به ماشین سلولی منتقل می‌شود. پژوهشگران با مشاهده میزان تولید mRNA توسط یک ژن خاص، میزان بیان ژن را اندازه‌گیری می‌کنند.

هنگامی‌که دانشمندان شروع به درک نقش ژنوم به‌عنوان نقشه زندگی کردند، گمان می‌بردند که شاید ژنوم انسانی بتواند ویژگی‌های منحصربه‌فرد ما را توضیح دهد. اما مقایسه دقیق با شامپانزه‌ها در سال ۲۰۰۵ نشان داد که ما ۹۹ درصد از ژن‌های خود را با شامپانزه‌ها به اشتراک می‌گذاریم (هرچند که این عدد بعدها بازنگری شد). این پژوهش مطالعات قبلی را که بر اساس تعداد کمی از ژن‌ها انجام شده بودند و پیشنهاد می‌کردند که تنها تفاوت کوچکی بین ژنوم انسان و شامپانزه وجود دارد، تأیید کرد.

اکنون زیست‌شناسان گمان می‌کنند که تفاوت‌ها ممکن است در بیان ژن نهفته باشد. به‌عنوان مثال، پروانه مونارک در حالت بالغ، همان ژنومی را دارد که در مرحله کرم ابریشم داشت. تفاوت‌های شگفت‌انگیز بین این دو مرحله زندگی کاملاً به بیان ژن مربوط می‌شود. روشن یا خاموش کردن ژن‌ها، یا تغییر میزان mRNA تولیدشده توسط آن‌ها، می‌تواند ویژگی‌های یک موجود را به‌شدت تغییر دهد.

تشکیل تصویری واضح‌تر

تحقیقات پیشین تفاوت‌هایی را در بیان ژن میان انسان و شامپانزه نشان داده‌اند و اینکه سلول‌های انسانی تمایل به بیان ژن‌های بیشتری دارند، اما تصویر همچنان مبهم بود. مغز از انواع مختلفی از سلول‌ها تشکیل شده است. دانشمندان سنتی مغز را به دو نوع اصلی سلول تقسیم می‌کردند: نورون‌ها و سلول‌های گلیال. نورون‌ها سیگنال‌های الکتروشیمیایی را انتقال می‌دهند، مانند سیم‌های مسی در یک ساختمان. سلول‌های گلیال سایر وظایف را انجام می‌دهند، مانند عایق‌بندی سیم‌ها، حمایت ساختاری، و پاک‌سازی زباله‌ها.

تا همین اواخر، دانشمندان تنها می‌توانستند نمونه‌های بافتی که از انواع مختلف سلول‌ها تشکیل شده بودند، مطالعه کنند. اما در دهه گذشته، امکان آزمایش هسته سلول‌ها به‌صورت جداگانه فراهم شده است. این روش به پژوهشگران اجازه می‌دهد تا بین انواع و حتی زیرگروه‌های سلولی تمایز قائل شوند.

یی، جاشی و سانتپره از داده‌هایی استفاده کردند که با دستگاهی با کانال‌های بسیار باریک تولید شده بود تا هر هسته را در محفظه‌ای جداگانه قرار دهند. سپس سلول‌ها را بر اساس نوع گروه‌بندی کردند و به تحلیل آماری پرداختند.

این تیم میزان بیان ژن را با مشاهده مقدار mRNA تولیدشده توسط یک ژن خاص در انسان‌ها، شامپانزه‌ها و ماکاک‌ها (نوعی میمون) اندازه‌گیری کرد.یک ژن با بیان بالا (upregulated) در یک گونه نسبت به گونه‌های دیگر mRNA بیشتری تولید می‌کند، در حالی که یک ژن با بیان پایین (downregulated) mRNA کمتری تولید می‌کند. مقایسه شامپانزه‌ها و انسان‌ها با ماکاک‌ها به پژوهشگران این امکان را داد که تشخیص دهند تفاوت‌های میان این دو گونه میمون ناشی از تغییرات در شامپانزه‌ها، انسان‌ها، یا هر دو بوده است.

آن‌ها تفاوت‌های بیان ژن حدود ۵ تا ۱۰ درصد از ۲۵,۰۰۰ ژن مورد بررسی را ثبت کردند. به‌طور کلی، سلول‌های انسانی ژن‌های بیشتری با بیان بالا در مقایسه با شامپانزه‌ها داشتند. این درصد بسیار بیشتر از میزانی است که پژوهشگران زمانی که نمی‌توانستند تحلیل را بر اساس نوع سلول تفکیک کنند، یافتند.  این درصد به ۱۲-۱۵٪ افزایش یافت زمانی که نویسندگان زیرگروه‌های سلولی را نیز در نظر گرفتند.

یی گفت:

اکنون می‌توانیم ببینیم که هر نوع سلول مسیر تکاملی خاص خود را دارد و به‌طور چشمگیری تخصصی می‌شود.

نه فقط نورون‌ها

پیچیدگی مسیرهای عصبی ما در قلمرو حیوانات بی‌نظیر است، اما یی معتقد است که این ویژگی به‌تنهایی دلیل هوش منحصربه‌فرد ما نیست. سلول‌های گلیال انسانی بیش از نیمی از سلول‌های مغز ما را تشکیل می‌دهند، که درصد بسیار بیشتری نسبت به حتی شامپانزه‌هاست.

در میان سلول‌های گلیال، الیگودندروسیت‌ها بیشترین تفاوت‌ها در بیان ژن را نشان دادند. این سلول‌ها عایقی ایجاد می‌کنند که نورون‌ها را می‌پوشاند و انتقال سیگنال‌های الکتریکی را بسیار سریع‌تر و کارآمدتر می‌کند. در مطالعه‌ای مشترک که سال گذشته منتشر شد، تیم تحقیقاتی مشاهده کرد که انسان‌ها نسبت بالاتری از الیگودندروسیت‌های پیش‌ساز به الیگودندروسیت‌های بالغ در مقایسه با شامپانزه‌ها دارند. یی معتقد است که این موضوع ممکن است به انعطاف‌پذیری شگفت‌انگیز عصبی و رشد آهسته مغز انسان مرتبط باشد.

یی گفت:

پیچیدگی افزایش‌یافته شبکه‌های عصبی ما احتمالاً به‌تنهایی تکامل نیافته است.
این پیچیدگی نمی‌توانست به وجود بیاید مگر اینکه تمام این انواع دیگر سلول‌ها نیز تکامل پیدا کرده باشند و گسترش تنوع نورونی، تعداد نورون‌ها، و پیچیدگی شبکه‌ها را ممکن ساخته باشند.

این مطالعه تنها سلول‌هایی از چند منطقه مغز را بررسی کرده است. با این حال، سلول‌های یک بخش از مغز ممکن است با سلول‌های بخش‌های دیگر متفاوت باشند. یی قصد دارد مکانیسم‌های پشت تفاوت‌های بیان ژن و نحوه ارتباط ژن‌ها با ویژگی‌های مختلف را بررسی کند.

او همچنین برنامه‌ریزی کرده است که بیان ژن‌های متفاوت را در مراحل اولیه‌تر تاریخ تکاملی ما با استفاده از خطوط پایه‌ای از حیوانات دورتر بررسی کند. علاوه بر این، او علاقه‌مند است تفاوت‌های ژنومی میان ما و سایر انسان‌های باستانی، مانند نئاندرتال‌ها و دنیسوواها را مطالعه کند.

او گفت:

تکامل تنها درباره تغییر ژن‌ها نیست. بیان متفاوت ژن به‌واقع نحوه تکامل مغز انسان را نشان می‌دهد.

این یافته‌ها که در Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده‌اند.

منبع: Scitechdaily