Neural stem cells generate neurons in vitro which mimic their in vivo molecular identity and axon/dendrite morphology
تقدم هذه الورقة بروتوكول استزراع بالقطرة المعلقة يتيح النمو طويل الأمد للخلايا العصبية المشتقة من الخلايا العصبية الأم لذبابة الفاكهة في المختبر، مما يثبت أن هذه الخلايا العصبية المستزرعة تحاكي بدقة هويتها الجزيئية ومعدلات تكاثرها وشكل محاورها وتغصناتها في الجسم الحي، مما يوفر نموذجاً قوياً لدراسة الإشارات التي تحكم التطور العصبي.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي لبحث مسبق لم يخضع لمراجعة الأقران. وهو ليس نصيحة طبية. لا تتخذ أي قرارات تتعلق بصحتك بناءً على هذا المحتوى. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
يعتبر الدماغ شبكة واسعة من الخلايا المتخصصة التي تسمى العصبونات، ولكل منها شكل فريد ووظيفة محددة. فبعض العصبونات تبدو مثل النجوم ذات الفروع الكثيرة، بينما يبدو بعضها الآخر طويلاً ونحيفاً، ويمتد عبر الجسم لإرسال الإشارات. لطالما تساءل العلماء كيف تعرف هذه الخلايا الشكل الذي يجب أن تتخذه. هل هو بسبب تعليمات مكتوبة داخل الخلية نفسها، مثل مخطط جيني؟ أم بسبب إشارات من العالم الخارم، مثل معلم يوجه طالباً؟ ولإيجاد الإجابة، عادة ما يدرس الباحثون العصبونات داخل الكائنات الحية، حيث يصعب التمييز بين العاملين في تحديد ما يقوم بالعمل. كما يدرسون العصبونات في أطباق زجاجية، لكن معظم هذه التجارب تبدأ بخلايا نمت وتكونت روابطها بالفعل، مما يجعل من الصعب رؤية كيف تقرر في البول في البداية أن تصبح نوعاً معيناً من الخلايا.
لقد طور فريق من الباحثين في جامعة أوريغون طريقة جديدة لمراقبة هذه العملية وهي تحدث منذ البداية. استخدموا ذباب الفاكهة، وهو نموذج شائع لدراسة البيولوجيا، لزراعة عصبونات في طبق بدءاً من الخلايا الجذعية، وهي المواد الخام التي تصبح عصبونات في نهاية المطاف. ومن خلال إزالة هذه الخلايا الجذعية من الجنين قبل أن يكون لها أي اتصال بالعالم الخارجي، خلق العلماء موقفاً تعتمد فيه الخلايا كلياً على تعليماتها الداخلية الخاصة للنمو. ووجد الباحثون أنه حتى بدون الإشارات البيئية المعتادة، نجحت هذه الخلايا الجذعية في التحول إلى عصبونات ناضجة. ولم تكتفِ هذه الخلايا الجديدة بنمو العدد الصحيح من الفروع فحسب، بل طورت أيضاً الهوية الجزيئية نفسها واحتفظت بالجوانب الرئيسية للأشكال الفيزيائية التي كانت ستتخذها لو بقيت داخل الذبابة الحية. وهذا يشير إلى أن التعليمات لبناء نوع معين من العصبونات موجودة إلى حد كبير داخل الخلية نفسها، بانتظار أن يتم تشغيلها، رغم أن الأشكال الناتجة ليست نسخة مطابقة تماماً لتلك الموجودة في الطبيعة.
بدأ العلماء عملهم بجمع أجنة ذباب الفاكهة في لحظة محددة جداً من تطورها، تماماً عندما بدأت الخلايا الجذعية في الانقسام. قاموا بإزالة القشرة الخارجية للأجنة بعناية وفككوها إلى خلايا فردية باستخدام عملية كيميائية لطيفة. ثم وُضعت هذه الخلايا في وسط سائل خاص داخل قطرة معلقة، وهو إعداد يحافظ على الخلايا معلقة وصحية. راقب الباحثون هذه الخلايا على مدار اثنتي عشرة ساعة، وهي الفترة التي تقابل الوقت الذي تستغرقه هذه الخلايا لتنضج داخل الذبابة. ورأوا أن الخلايا الجذبية انقسمت وتحولت إلى عصبونات بنفس السرعة التي تفعلها داخل الجسم. وفي غضون ساعة واحدة، بدأت الخلايا في إخراج امتدادات صغيرة، وبحلول اثنتي عشرة ساعة، نمت هذه الامتدادات لتصبح خيوطاً طويلة ونحيفة، محاكية النمو الطبيعي للعصبونات في الكائن الحي.
وللتأكد من أنهم يدرسون الأنواع الصحيحة من الخلايا، استخدم الفريق خدعة جينية لإضاءة مجموعات معينة من العصبونات بتوهج أخضر. ركزوا على عائلة معينة من العصبونات التي تتشكل عادةً وفق نمط محدد داخل الذبابة. وعندما عدوا الخلايا المتوهجة في طبقهم، وجدوا أن عدد هذه العصبونات المحددة يطابق العدد الموجود في الذباب الحي. كانت هذه خطوة حاسمة، أثبتت أن الطبق لا ينمي مجرد خلايا عشوائية، بل يعيد بصدق تكوين مزيج أنواع الخلايا الموجود في الطبيعة. كما تحقق الباحثون مما إذا كانت الخلايا تقوم بفرز أجزائها الداخلية بشكل صحيح. تمتلك العصبونات نوعين رئيسيين من الفروع: المحاور (axons)، التي ترسل الإشارات، والزوائد الشجرية (dendrites)، التي تستقبلها. ووجد الفريق أن الخلاح في الطبق وضعت حمولتها الداخلية بشكل صحيح، حيث أرسلت المواد الصحيحة إلى المحاور والمواد الصحيحة إلى الزوائد الشجرية، تماماً كما تفعل في الحيوان الحي.
ولعل الاكتشاف الأكثر إثارة يتعلق بمجموعة من العصبونات الحركية التي تتحكم في حركة العضلات. في الذبابة الحية، تأتي هذه العصبونات بشكلين متميزين: بعضها له فرعان رئيسيان، بينما يمتلك البعض الآخر فرعاً واحداً فقط. وجد الباحثون عند فحص العصبونات الحركية التي تنمو في طبقهم أنها احتفظت بهذه الأشكال نفسها. فالخلايا التي كان مقدراً لها أن تكون ثنائية الفروع نمت بفرعين، والتي كان مقدراً لها أن تكون أحادية الفرع نمت بفرع واحد فقط. علاوة على ذلك، حملت هذه الخلايا العلامات الجزيئية الصحيحة، وهي الوسوم الكيميائية التي تحدد هويتها كأنواع معينة من العصبونات. حدث هذا رغم أن الخلايا لم تتعرض قط للبيئة المعقدة لجسم الذبابة. وتشير النتائج إلى أن المخطط لهوية العصبون وشكله مغروس في الخلية منذ البداية، وهي لا تحتاج إلى العالم الخارجي ليخبرها بما يجب أن تصبح عليه، رغم أن الشكل النهائي ليس نسخة مثالية من الشكل الموجود في الكائن الحي.
يقدم هذا العمل أداة قوية للعلماء لدراسة كيفية بناء الدماغ. فمن خلال زراعة العصبونات في طبق حيث يتم إزالة العالم الخارجي، يمكن للباحثين الآن عزل التعليمات الداخلية التي تقود عملية التطور. وتظهر الدراسة أنه بينما تعتبر البيئة مهمة لأشياء كثيرة، فإن المخطط الأساسي لهوية العصبون وبنيته يأتي من الداخل. يساعد هذا الاكتشاف في توضيح سؤال طويل الأمد في علم الأعصاب: كيف تعرف الخلايا من هي؟ ويبدو أن الإجابة هي أنها تحمل خريطتها الخاصة، جاهزة لاتباعها في اللحظة التي تولد فيها.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.