على مدار قرون، ظن العلماء أن الدماغ عضو واحد موحد. لكن أبحاثاً جديدة قادتها جامعة ستانفورد تكشف أن ما نطلق عليه الدماغ هو في الواقع عضوين متميزين تطورا بشكل مستقل على مدى مئات الملايين من السنين. هذا الاكتشاف يقلب نموذجاً ساد طويلاً لتطور الدماغ.

لعقود من الزمن، اعتنق الباحثون نظرية مفادها وجود خلية سلفية واحدة في مراحل التطور المبكرة تؤدي إلى ظهور الدماغ بأكمله. اقترح هذا النموذج أن جميع أجزاء الدماغ تتشارك أصلاً تطورياً مشتركاً. تُظهر نتائج البحث الجديد أن الدماغ البشري يتكون من نظامين عصبيين قديمين تم دمجهما ببراعة معاً — جزء أكثر بدائية ينظم ضربات قلوبنا وتنفّسنا وظائف أخرى، وآخر يجعلنا بشراً بشكل واضح وقادرين على الشعر والرياضيات والتساءل حول أصولنا.

يمكن أن يساعد هذا الاكتشاف في تفسير سبب كفاح العلماء لعقود لزراعة أنواع معينة من خلايا الدماغ في المختبر — وهو يفتح آفاقاً جديدة لدراسة الأمراض المدمرة التي تصيب جذع الدماغ، مثل ضمور العضلات الشوكي (المعروف أيضاً باسم SMA) والتصلب الجانبي الضموري (المعروف أيضاً باسم ALS أو مرض لو غيريج).

"لقد أثبتنا لأول مرة أن مقدمة الدماغ تنشأ من خلية سلفية مختلفة تماماً عن مؤخرة الدماغ"، هذا ما قالته كايل لو، الحاصلة على الدكتوراه والأستاذة المشاركة في بيولوجيا النمو. وأضافت: "اكتشافنا يعني أنه يمكننا الآن زراعة خلايا عصبية من مؤخرة الدماغ، أي الدماغ الخلفي، في طبق حلط ودراسة وظائفها".

نُشرت النتائج في مجلة "نيشور نيروساينس" في 18 سبتمبر. لو هي الباحث الرئيسي. وطلاب الدراسات العليا كارولين دوندس وريان جوخاي هما المؤلفان المشاركان الأولان للبحث.

يحتوي دماغ البالغين على ثلاثة مناطق رئيسية: الدماغ الأمامي، الدماغ المتوسط، والدماغ الخلفي. يتعامل الدماغ الأمامي مع التفكير العالي المستوى — اللغة، والوعي، والتعبير المجرد. في المقابل، يتحكم الدماغ الخلفي، الموجود في مؤخرة الجمجمة وغالباً ما يُسمى جذع الدماغ، في الوظائف الأساسية التلقائية التي تبقينا على قيد الحياة: التنفس، والنوم، وتنظيم ضربات القلب والرغبة في الجوع.

تتحكم خلايا الدماغ الخلفي العصبية أيضاً في عضلات الوجه واللسان والحلق، والتي تؤثر على الكلام والبلع. وعلى الرغم من الأهمية البالغة للدماغ الخلفي، فقد كافح العلماء لعقود لتوليد خلايا عصبية في الدماغ الخلفي البشري داخل المختبر. وقد أعاقت هذه الفجوة الأبحاث حول الأمراض المدمرة التي تؤثر على جذع الدماغ، بما في ذلك ضمور العضلات الشوكي والتصلب الجانبي الضموري.

يُعد ضمور العضلات الشوكي سبباً جراثيمياً رئيسياً للوفاة لدى الأطفال دون سن سنة واحدة. أما التصلب الجانبي الضموري، الذي يُشخّص غالباً بين سن 40 و70 عاماً، فيؤثر على كل من الدماغ الأمامي والدماغ الخلفي. في كلا الاضطرابين، تتوقف خلايا معينة في الدماغ الخلفي تدريجياً عن العمل، وفقد المريض القدرة على البلع، مما قد يسبب الالتهاب الرئوي عندما يتم استنشاق الطعام أو السوائل إلى الرئتين؛ وفي النهاية، يفقد المرضى القدرة على التنفس.

جاءت انفراجة الباحثين من دراسة اللحظات الأولى للتطور الجنيني، خلال مرحلة تُسمى المعدية عندما يأخذ الجسم شكله لأول مرة. اكتشف جوخاي ودوندس أن الدماغ الخلفي يتبع مساراً تطورياً منفصلاً، يسير بشكل موازٍ — بدلاً من التفرع من — المسار الذي يخلق الدماغ الأمامي والدماغ المتوسط.

تعلم الباحثون ذلك من خلال فحص أجنة الفئران النامية. لقد حددوا خليتين سلفيتين مختلفتين للدماغ. أحدهما، الذي يُعبّر عن جين يُسمى Otx2، مخصص ليصبح الدماغ الأمامي والدماغ المتوسط. والآخر، الذي يُعبّر عن جين يُسمى Gbx2، ملتزم بتشكيل الدماغ الخلفي. وأظهروا أن هاتين المجموعتين من الخلايا لا تتقاطعان أبداً؛ فهما متبادلتان استبعادياً منذ المراحل الأولى للتطور.

ثم فحص الفريق تعبئة الحمض النووي، أو الكروماتين، في هذه الخلايا. الكروماتين هو وسيلة تحدد بها الخلايا الجينات التي يمكن الوصول إليها بسهولة والتي يتم تجميعها بعيداً عن المتناول. ما وجدوه كان مذهلاً: الأدمة العصبية الأمامية (الدماغ الأمامي والدماغ المتوسط المستقبليان) والأدمة العصبية الخلفية (الدماغ الخلفي المستقبلي) لهما تكوينات كروماتين مختلفة أساسياً.

هذه الاختلافات أغلقت أساساً كل خلية سلفية في مصيرها الخاص، مثل المسافرين على مسارات متوازية لا تتقاطع أبداً. وقال جوخاي: "المحاولات السابقة لصنع خلايا عصبية في الدماغ الخلفي ربما حاولت إقناع الخلايا السلفية للدماغ الأمامي والدماغ المتوسط لتصبح خلايا دماغ خلفي، وهو ما تُظهر دراستنا أنه غير ممكن".

فسر هذا الوحي عقوداً من الإحباط في هذا المجال — فقد كان العلماء يحاولون تحويل نوع واحد من الخلايا السلفية إلى نوع آخر تعجز أساساً عن أن تصبح إياه. وقال جوخاي: "في بيولوجيا الخلايا الجذعية، ينشغل الناس دائماً بإنشاء نوع الخلية النهائية، مثل الخلية العصبية. لكن من المهم البدء في المراحل الأولى للتطور الجنيني. وقد سمح لنا اهتمامنا الدقيق بتلك النقطة الزمنية المبكرة بالعثور على هذا الانقسام الأساسي في تطور الدماغ".

مسلحين بهذه المعرفة، نجح الباحثون لأول مرة في حث الخلايا الجذعية البشرية المحفزة (وهي نوع من الخلايا يمكنه إنشاء أي خلية في جسم الإنسان) لتصبح خلايا عصبية حركية وظيفية للدماغ الخلفي في المختبر. أظهرت هذه الخلايا العصبية المزروعة مخبرياً جميع سمات خلايا الدماغ الخلفي الأصلية: فقد أظهرت موجات من النشاط الكهربي تسمى جهود الفعل وصنعت بروتينات تحدد أجزاء الدماغ الخلفي التي تتحكم في عضلات الوجه والبلع.

أخيراً، نظر الباحثون إلى الوراء عبر 550 مليون سنة من الوقت التطوري. لقد وجدوا نفس نمط الدماغ ذي الأصلين في الدجاج؛ والأسماك الحمرية؛ وبشكل ملحوظ، في ديدان البلوط، وهي مخلوقات صغيرة تعيش في قاع المحيط وتتشارك سلفاً مشتركاً بعيداً مع البشر. قنديل البحر، الذي تباعد عن البشر منذ حوالي 600 إلى 700 مليون سنة، لديه نظامان عصبيان في طرفين مختلفين من جسمه.

وقال لو: "تشير أبحاثنا إلى أن التطور أخذ نظامين عصبيين موجودين ودفعهم معاً مكانياً. ووجود الدماغ كعضو واحد سيكون على الأرجح أكثر كفاءة، لكننا نعتمد على هذه الطريقة البدائية لجعل الدماغ كقطعتين منفصلتين". وأضاف جوخاي: "لقد تفاجأت بنتائجنا لأن كلمة 'دماغ' تعني عضواً متصلاً وله على الأرجح أصل مفرد. ولكن حتى قبل 500 مليون سنة، كانت هناك هذه الأنظمة العصبية المنفصلة، التي تعمل الآن تقريباً كعضو واحد، وهو أمر رائع للغاية".

للبحث أيضاً آثار على التحقيق في علاجات لضمور العضلات الشوكي، والتصلب الجانبي الضموري وغيرها من الحالات التي تؤثر على جذع الدماغ. وحتى الآن، كان دراسة هذه الأمراض شبه مستحيلة لأن العلماء لا يستطيعون الحصول على أنسجة جذع الدماغ من المرضى الأحياء. والقدرة على نمو هذه الخلايا العصبية في طبق تفتح إمكانيات جديدة لفهم ما يخطئ.

هناك حتى اتصال غير متوقع بعلاج السمنة: يحتوي الدماغ الخلفي على الدوائر التي تنظم الجوع — وهو بالضبط كيف تعمل أدوية إنقاص الوزن مثل سيماغلوتايد. يود الباحثون توسيع دراساتهم لتحديد الأصول التطورية للحبل الشوكي ومعرفة بالضبط كيف يعطل ضمور العضلات الشوكي والتصلب الجانبي الضموري وظيفة خلايا الدماغ الخلفي العصبية.

وقال جوخاي: "الآن لدينا نموذج لفهم هذه الأمراض المدمرة بشكل أفضل، والعمل نحو علاجات تجديدية لها. هذه حدود جديدة ومثيرة للغاية في أبحاث الدماغ". ساهم باحثون من معهد كاليفورنيا للتقنية وجامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو في الدراسة.