ارگانوئیدهای مغزی؛ از پیوند به ربات عنکبوتی تا کشت خودکار در فضا
زوميت/ پژوهشگران در تلاش براي توليد انبوه ارگانوئيدهاي مغزي قابلکشتي هستند که بتوانند از آن در مقاصد گوناگون پزشکي و فضايي بهره ببرند. چند هفته قبل بود که در يکي از آزمايشگاهاي دانشگاه کاليفرنيا واقع در سنديگو، تعداد زيادي نمونه با نام «ارگانوئيد مغزي» کشت شد که هماکنون درقالب هزاران گوي کوچک از سلولهاي مغز رهسپار سفري به مدار زمين هستند. آليسون موتري، زيستشناس ارشد آزمايشگاه بههمراه همکارانش در اين محل با دستکاري سلولهاي پوست انسان، آنها را تبديل به سلولهاي بنيادي کردند و درادامه از آنها مقاديري سلول مغزي استخراج کردند. ارگانوئيدهاي توليدشده تکثير شدند و نهايتا به ابعادي بهاندازهي يک سر سوزن رسيدند. هر کدام از اين نمونهها خود شامل صدها هزار سلول در انواع مختلف ميشدند و داراي ساختار شيميايي و سيگنالهاي الکتريکي مشابه با سلولهاي مغز خود ما بودند. طي ژوئيهي گذشته، ناسا اقدام به بستهبندي اين ارگانوئيدها و بارگيري آنها روي عرشهي يکي از موشکها کرد. نمونهها با پرتاب موشک، به ايستگاه فضايي بينالمللي ارسال شدند تا در آنجا براي بررسي روند رشدشان در شرايط بيوزني مورد مطالعه قرار گيرند. در حال حاضر، اين ارگانوئيدها درون يک جعبهي فلزي انباشته شدهاند و با محلولي حاوي مواد مغذي تغذيه ميشوند. دکتر موتري طي مصاحبهي اخير خود ميگويد: من فکر ميکنم آنها اکنون در حال تکثير با سرعت بسيار بالايي هستند و انتظار ميرود با ارگانوئيدهاي بزرگتري مواجه شويم. اما اين ارگانوئيدها در حين رشد خود دقيقا به چه موجودي تبديل ميشوند؟ اين پرسشي است که ذهن بسياري از دانشمندان و فلاسفهي جهان را به خود مشغول داشته است. روز پنجشنبه، دکتر موتري و همکارانش گزارش کردند که موفق به ثبت يک موج مغزي ساده در ارگانوئيدهاي خود شدهاند. در مغز افراد بالغ، اين امواج درنتيجهي برانگيختهشدن هماهنگ يک شبکه از نورونها ايجاد ميشوند. الگوهاي خاص از امواج مغزي حاصل اشکال بهخصوصي از فعاليتهاي مغزي نظير بازيابي خاطرات و ديدن رويا هستند. پژوهشگران دريافتند، همانطور که ارگانوئيدها رشد ميکنند، امواج ناشي از آنها نيز با روندي مشابه با تغييرات ديدهشده حين رشد مغز نوزادان نابالغ، شروع به تغيير ميکنند. جورجيا کوادراتو، عصبشناس دانشگاه کاليفرنياي جنوبي و از دستاندرکاران مطالعهي فعلي ميگويد: واقعا شگفتانگيز است. هيچکس نميتوانست وقوع چنين اتفاقي را حدس بزند. اما دکتر کوادراتو تأکيد دارد که نبايد از اين موضوع برداشت اشتباهي کرد. آنچه که او بههمراه دکتر موتري و ساير متخصصان ارگانوئيدهاي مغزي ساختهاند، تنها تودهاي از سلولهاي مغزي هستند که خود را تکثير ميکنند و نه يک مغز واقعي را. او اضافه ميکند: مردم اغلب ميگويند اينها شبيه به مغز نوزادان نارس هستند. اما اينگونه نيست. يک سيني از ارگانوئيدهاي مغزي پرورشيافته با استفاده از ژن انسانهاي نئادرتال در آرمايشگاه دکتر موتري. دانشمندان دريافتند که نورونهاي اين ارگانوئيدها ارتباطات نوروني کمتري دارند. از زمانيکه دانشمندان موفقبه توليد اولين ارگانوئيدهاي مغزي با استفاده از سلولهاي پوست شدند، ۶ سال ميگذرد. امروزه اين نمونهها در آزمايشگاههاي مختلفي در سرتاسر جهان در حال پرورش هستند و اين بهمنزلهي نخستين گامها بهسوي توسعهي مغز انسان در محيط مصنوعي است. اما اينجا در دانشگاه کاليفرنياي سنديگو، پژوهشگران سرگرم بهکارگيري ارگانوئيدها براي بازسازي اختلالات موروثي و عفونتهاي مغزي در مقياسي مينياتوري هستند. آنها همچنين ميکوشند، نمونههايي بزرگتر و البته پيچيدهتر از ارگانوئيدهاي مغزي را توسعه دهند. در يکي از آزمايشهاي اخير، دانشمندان يک ارگانوئيد مغزي را با يک ربات عنکبوتيشکل پيوند دادهاند تا امکان مبادلهي سيگنال بين اين دو را فراهم کنند. امواج مغزي ارگانوئيدها مشابه با امواج مغز نوزادان نارس بود حال با انتشار گزارش اخير در ژورنال سلول بنيادي با اين پرسش اساسي مواجه ميشويم که روند توسعهي ارگانوئيدهاي مغزي قرار است واقعا به کجا برسد؟ دکتر موتري ميگويد: برخي از همکاران من ميگويند: «نه، اين چيزها قرار نيست به آگاهي برسند.» اکنون من در اين مورد، چندان مطمئن نيستم. کريستوف کخ، دانشمند ارشد و مدير مؤسسهي Allen Brain در سياتل آمريکا ميگويد حتي اگر دانشمندان روزي موفق به توليد ارگانوئيدهايي با سطح بسيار ناچيزي از خودآگاهي شوند، اين موضوع ميتواند بهمنزلهي مواجهه با يکي از جديترين چالشهاي اخلاقي علم پزشکي باشد. او توضيح ميدهد: هرچه ما به اين هدف نزديکتر ميشويم، شانس مواجهه با يک مغز برخوردار از هوشياري و البته حس درد، رنج و پريشاني بيشتر خواهد شد. شکست تلخ بهندرت ميتوان موضوعاتي در علم زيستشناسي يافت که به پيچيدگي مطالعهي توسعهي مغز انسان باشد. بهخاطر محدوديتهاي موجود، دانشمندان اين حوزه عموما خود را با شواهد غيرمستقيم بهدستآمده از مطالعهي مغز جانوراني مانند موشها و ميمونها قانع کردهاند. اما مغز گونهي انسان امروزي بهحدي متمايز است که بهسختي ميتوان شکاف فرگشتي ميان آن و گونههاي ديگر را پر کرد. درنتيجه، پژوهشگران تقريبا هيچگونه شواهد تاريخي قابلاستنادي براي برخي اختلالات مغزي نظير اوتيسم و اسکيزوفرني در اختيار ندارند. دکتر موتري ميگويد: ما بهطرز دردآوري احساس شکست ميکنيم؛ چراکه ميتوانيم حيوانات را درمان کنيم ولي اين روشهاي درماني (براي بيمارهاي انساني) قابلاعمال نيست. سال ۲۰۰۶، شينيا ياماناکا، زيستشناس دانشگاه کيوتو در ژاپن روشي جديد براي مطالعهي مغز انسان معرفي کرد. او ترکيبي از چهار پروتئين را کشف کرد که ميتوانستند سلولهاي معمولي پوست را به سلولهاي بنيادي تبديل کنند. اين سلولها بعدها ميتوانستند به نورونها، ماهيچه يا سلولهاي خوني تبديل شوند. براساس اين دستاورد، پژوهشگران ديگر ياد گرفتند که چگونه ميتوان با استفاده از سلولهاي بنيادي، ارگانهاي مينياتوري را درون يک ظرف پرورش داد. سال ۲۰۱۴، يک گروه از پژوهشگران در اتريش براي اولينبار، موفق به توليد ارگانوئيدهاي مغزي کوچک با عمري محدود شدند. در آن زمان، دکتر موتري که مشغول مطالعه روي نورونهاي استخراجشده از افراد مبتلا به اوتيسم بود، با شنيدن اخبار مربوط به اين کشف، شروع به آغاز پژوهشهاي خود براي تبديل سلولهاي بنيادي به ارگانوئيدهاي مغزي کرد. او ميگويد: شگفتانگيزترين نکته دربارهي اين (ارگانوئيدها)، توانايي آنها در ساخت خود است. درصورت فراهمبودن شرايط، ارگانوئيدها قادر به کنترل فرايند تکثير خود هستند. يک آرايه از بشقابها با الکترودهاي چندگانه در آزمايشگاه دکتر موتري. اين وسيله ميتواند امواج مغزي را در ارگانوئيدهاي در حال رشد تشخيص دهد. کلبر تروجيلو، دانشمند پروژه پيشبيني ميکند که در آينده هزاران نمونه از اين ارگانوئيدها در اتاقهاي کشت بافت آزمايشگاه دکتر موتري عملآوري شوند. او با اشاره به بانک عظيم يخچالها، مولدها و ميکروسکوپهاي آزمايشگاه ميگويد: «اين مکاني است که ما نيمي از شبانهروز را در آن مشغول بهکار هستيم.» پرورش ارگانوئيدهاي مغزي بسيار زمانبر است؛ چراکه دستورالعمل توليد آنها بيشتر به دستور پخت يک دسر سوفله شباهت دارد تا آزمايشي شيميايي. دانشمندان مجبور هستند بهصورت مداوم، محلول مغذي اين ارگانوئيدها را تعويض کنند و در عين حال، همواره مراقب خود سلولها نيز باشند. دکتر تروجيلو ميگويد: ما بايد اين روند را هدايت کنيم. در غير اينصورت، محصول نهايي چيزي غير از ارگانوئيد خواهد بود. اگر همهچيز مطابق برنامه پيش برود، سلولها تبديل به ارگانوئيدهاي مغزي خواهند شد. آنها بهشکل حبابهايي در ميآيند که درونشان تونلهايي شکل ميگيرد. سپس سلولهاي اوليه تونلها را احاطه کرده و ريسمانها رشد ميکنند. سلولهاي ديگر نيز در امتداد ريسمانها توسعه مييابند و حلقههاي پيدرپي را شکل ميدهند. از بسياري از جهات، اين سلولها مشابه همانسلولهايي هستند که در کورتکس مغز ما وجود دارند. حتي سطح اين سلولها قابليت تاخوردن روي خود را دارد. دکتر تروجيلو يک سيني حاوي نمونههايي نيمهشفاف را بيرون ميکشد. زير نور، صدها کرهي کوچک کمرنگ به حالت درخشان درميآيند. در عرض دو ماه، سلولهاي درون هر ارگانوئيد با شبکهاي از رشتههاي چسبناک، شکل منسجمي به خود ميگيرند. دکتر تروجيلو با شوق ميگويد که سلولها ميخواهند در تماس با يکديگر باقي بمانند. دکتر موتري و همکارانش از ارگانوئيدها براي انجام چندين آزمايش روي بيماريهاي مختلف استفاده ميکنند. براي مثال، آنها اين ارگانوئيدها را آلوده به ويروس زيکا ميکنند تا دريابند که چگونه اين ويروس باعث بروز آسيبهاي شديد مغزي در مغز کودکان ميشود. سال گذشته، پژوهشگران دريافتند که نوعي دارو با نام سوفوسباوير (sofosbuvir) که قبلا براي درمان هپاتيت استفاده ميشد، ميتواند با ايجاد يک قشاي محافظ روي مغز مانع از عفونت آن شود. دکتر ديويد باد، متخصص ويروس زيکا در دانشگاه لاوسان سوئيس، کشف اخير در حوزهي پروش ارگانوئيدها را بسيار نويدبخش ميداند. او ميگويد از آنجا که مطالعهي نورونهاي انسانها و موشها بسيار مشکل است، ارگانوئيدها ميتوانند بهترين راهحل باشند. يک ربات در آزمايشگاه دکتر موتري که ازطريق يک رايانه با ارگانوئيدهاي مغزي در ارتباط است. فابيو پاپز، عصبشناس دانشگاه کمپيناس در برزيل با مطالعه روي بيماريهاي ارثي مغزي به نتيجهاي مشابه رسيده است. دکتر پاپز در حال همکاري با دکتر مورتي در زمينهي مطالعهي يک بيماري مغزي با نام «سندرم پيتهاپکينز» است. سندرم يادشده نوعي بيماري نادر است که مانع از شکلگيري توانايي تکلم در کودکان شده و باعث برخي از تشنجهاي دورهاي ميشود. دکتر پاپز براي درک عامل جهشهاي ژنتيکي منجر به اين بيماري تلاش ميکند ارگانوئيدهايي را بااستفاده از سلولهاي پوستي اهدايي اين بيماران پرورش دهد. او ميگويد: درمورد اين بيماري خاص، موشها گزينههاي مناسبي نيستند. واضح است که نميتوانيد سر يک کودک را بشکافيد تا دريابيد چه در آن ميگذرد. ما يا بايد اين مسير ار در پيش بگيريم يا بهکلي از پژوهش در اين زمينه چشمپوشي کنيم. جرم بحراني سال ۲۰۱۶، پژوهشگري با نام پريسيلا نگراس شروع به مطالعه درمورد ارتباطات ارگانوئيدها کرد. او که اکنون يکي از دانشمندان پروژه در آزمايشگاه دکتر موتري شده است، موفق شد با ۶۴ الکترود، ارتباطات ارگانوئيدها را درون يک بستر رصد کند. هر زمان که يکي از نورونها درون ارگانوئيد تحريک ميشوند، يک الکترود نيز فعال ميشود. نگراس دريافت که ارگانوئيدها بسيار پرسروصداتر از آن چيزي هستند که بهنظر ميرسند. جالب اينکه با گذشت هر هفته اين صداها بيشتر و بيشتر ميشدند تا اينکه کمکم متوجه الگويي در آنها شد. بيشتر نورونها بهصورت ناگهاني شروع به تحريک همزمان و ايجاد يک موج انفجاري ميکردند که بهشکل قابلتوجهي به امواج مغزي شباهت داشت. دکتر نگراس و همکاران، همکاري خود را با متخصصان امواج مغزي آغاز کردند و در ادامه متوجه شباهتهايي ميان اين ارگانوئيدها و مغز نوزادان نارس شدند. هم نوزادان و هم ارگانوئيدها فعاليتهاي همزمان انفجاري را از خود نشان ميدادند؛ فعاليتهاي شديدي که عموما با يک دورهي سکون همراه ميشدند. پژوهشگران متوجه شدند، همانطور که ارگانوئيدها رشد ميکنند، اين سکونها کوتاه و کوتاهتر ميشوند. اين وضعيت درمورد فرايند رشد مغز نوزادان نارس نيز صادق بود. اما ريچارد گائو، دانشجوي فارغالتحصيل دانشگاه کاليفرنياي سن ديهگو و از پژوهشگران همکار در پروژه معتقد است آنچه که باعث جالببودن اين شباهتهاي رفتاري ميشود، اين واقعيت است که ارگانوئيدها و مغز کودکان اساسا با يکديگر تفاوت دارند. او ميافزايد: من فکر نميکنم که براي توليد اين الگوها نيازي به تمامي آن چند ميليارد نورون درون مغز شما باشد. اگر مقدار آنها از يک «جرم بحراني» عبور کند، اين توانايي ايجاد خواهد شد. فرناندا کوگولا، پژوهشگر دورهي پسادکترا در اين پژوهشها سعي دارد اثر ويروس زيکا را روي ارگانوئيدهاي مغزي بررسي کند. پژوهشگران سعي دارند براي افزايش اطلاعات خود درمورد ارگانوئيدها، نمونههاي بزرگتر، پيچيدهتر و بادوامتر از آنها را توليد کنند. نکتهي شگفتانگيز اين بود که آنها دريافتند با کمک سلولهاي ايمني ميتوان به اين هدف دست يافت. برخي از سلولهاي ايمني با نام ميکروگليا تنها موظف به مقابله با عوامل بيماريزا نيستند. اين سلولها در فرايند تکميل مغز ميتوانند شاخههاي نوروني را تثبيت کرده و به بلوغ آنها کمک کنند. پژوهشگران در آزمايشگاه دکتر موتري، سلولهاي ميکروگليا را وادار به نفوذ به درون ارگانوئيدهاي مغزي کردهاند. هماکنون پژوهشگران در حال مطالعهي سازوکار فعاليتهاي ارگانوئيدها حين رشدشان هستند. گابرليا گلدبرگ، يکي از دانشجويان فارغالتحصيل همکار در پروژه نيز بر اين باور است که استفاده از ميکروگليا ميتواند مفيد واقع شود. مغز واقعي انسان براي رشد بهتر نياز به ارتباط با دنياي بيرون دارد. سال ۲۰۱۷، دکتر کوادراتو و همکارانش يک ارگانوئيد مغزي متشکل از سلولهاي شبکيهي چشم را پرورش دادند و بدين ترتيب باعث شدند ارگانوئيد نسبتبه نور حساسيت داشته باشد. دکتر موتري و همکارانش روشهاي مختلفي را بهکار گرفتهاند تا بتوانند ارگانوئيدهاي مغزي را وادار به تحريک بيشتر و درنتيجه توسعهي شبکههاي عصبي پيچيدهتري کنند. آنها حتي طي يک آزمايش سعي کردند، ارگانوئيدها را به يک ربات کوچک عنکبوتيشکل متصل کنند. در اين روش، يک رايانه با پردازش فعاليتهاي الکتريکي ارگانوئيد، آنها را بهشکل دستوراتي براي حرکت پاهاي ربات تبديل ميکرد. همانطور که ربات حرکت ميکرد، از حسگرهايي براي کشف فاصلهي خود با يک ديوار استفاده ميکرد. رايانه نيز اين سيگنالها را بهشکل پالسهاي الکتريکي براي ارگانوئيد مخابره ميکرد. مغز واقعي انسان براي رشد بهتر نياز به ارتباط با دنياي بيرون دارد دکتر موتري هنوز نميتواند باقطعيت درمورد تأثير چنين آزمايشهايي روي توسعهي ارگانوئيدهاي مغزي اظهارنظر کند. ممکن است اين تلاشها با شکست مواجه شود يا اينکه نهايتا منجر به بروز شکلي از رفتارهاي پيچيدهي تقليدي از مغز شود که برايمان قابلتفسير نباشد. او به دانشمندان همکار خود توصيه ميکند که عميقا روي آنچه که ممکن است سهوا خلق کنند، بينديشند. او اين پرسش را مطرح ميکند که: چه ميشود اگر ما نورونهايي را بهکار گيريم که درد را احساس ميکنند؟ يا اينکه کاري کنيم که ارگانوئيدها بتوانند خاطرات را ثبت کنند؟ اما جينتاين لانشوف، متخصص اخلاق زيستي در دانشگاه هاروارد، اعتقاد دارد که هنوز بسيار زود است که درمورد بايدها و نبايدهاي رفتار خود با ارگانوئيدها قضاوت کنيم. او ميگويد: براي اينکه بتوانيم بگوييم ما بايد چگونه با چيزي رفتار کنيم، ابتدا بايد بتوانيم بگوييم که «آن چيز چيست؟» ما در حال خلق چيزهايي هستيم که تا ۱۰ سال پيش ناشناخته بودند. اينها در فهرست مواردي نيست که فلاسفه با آن سروکار داشتند. دکتر لانشوف ميگويد آنچه در اين مقطع از پزوهشها اهميت دارد، اين است که ارگانوئيدهاي مغزي امروزي را با مغز واقعي انسانها اشتباه نگيريم. آنها يک مقولهي کاملا متفاوت هستند. در حال حاضر، دکتر موتري و دکتر تروجيلو اميدوار هستند که بتوانند فرايند توليد ارگانوئيدهاي آزمايشگاهي را اتوماسيون کنند. در نتيجه، دانشمندان ديگر نيز خواهند توانست تعداد بيشماري از ارگانوئيدهاي مغزي ارزان و باکيفيت را تهيه کنند. دکتر موتري ميگويد: مفهوم اصلي [که در پي آن هستيم]، بهصورت «اتصال و اجرا» است. ما ميخواهيم مزارعي بزرگ از اين ارگانوئيدها را داشته باشيم. تصويري از آليسون موتري، دانشمند زيستشناس دانشگاه کاليفرنياي سن ديهگو در آزمايشگاه اختصاصي مطالعات ارگانوئيد مغزي ممکن است ايدهي ارسال ارگانوئيدها به فضا بتواند اين مفهوم را عملياتي کند. محفظهاي که ارگانوئيدها طي سفر به فضا درون آن قرار گرفته بودند، يک نمونهي اوليه از تجهيزاتي است که روزي خواهد توانست ارگانوئيدها را بدون دخالت دستي انسان پرورش دهد. فضانوردان ايستگاه فضايي بينالمللي تنها اين جعبهها را نصب کرده و به برق متصل کردند. ساير امور بهصورت خودکار انجام ميشود. چند روز پيش، دکتر موتري ارگانوئيدهاي فضايي خود را مورد بررسي قرار داد. دوربينهاي جاسازيشده درون جعبههاي ارسالي در هر نيمساعت يک عکس تهيه ميکنند؛ اما متاسفانه بهدليل تشکيل حبابهاي هوا بهشکلي غيرمنتظره، تصاوير دريافتي همگي مبهم بودند. با اين حال به نظر ميرسد حبابهاي مزاحم درون تصاوير آخر ناپديد شدهاند و وي ميتواند حدود ۵ يا ۶ کرهي خاکستري رنگ را ببيند که درون يک محلول بهرنگ بژ شناور هستند. او ميگويد: آنها گِرد و کمابيش هماندازه هستند. نشانهاي از ادغام و توده شدن در آنها ديده نميشود و اين يک خبر خوب است. از ديدگاه دکتر موتري، منسوخشدن روش صنعتي او براي پرورش ارگانوئيدها چندان اهميتي ندارد و آنچه مهم است، حصول يک راهکار نهايي براي توليد انبوه ارگانوئيدهاي مغزي است: من معتقد هستم که [روزي] ما ميتوانيم از اين مغزهاي خود براي يک هدف والاتر بهره ببريم.