رونمایی از BrainSTEM: اطلس جامع مغز انسان که تمام سلول‌های در حال رشد را نقشه‌برداری کرد

دانشمندان یکی از جامع‌ترین نقشه‌های تک‌سلولی (single-cell) مغز در حال رشد انسان را ساخته‌اند. چارچوب جدید BrainSTEM نزدیک به ۶۸۰,۰۰۰ سلول مغز جنین را تجزیه و تحلیل کرده تا رشد و تعاملات آن‌ها را ترسیم کند و مرجعی دقیق برای مطالعه رشد نورون‌ها ارائه دهد.

این اطلس با شناسایی دقیق نورون‌های دوپامینرژیک مغز میانی—سلول‌هایی که بیشترین آسیب را در بیماری پارکینسون می‌بینند—ابزاری قدرتمند برای اصلاح سلول‌درمانی‌ها و ارزیابی مدل‌های آزمایشگاهی به محققان می‌دهد. این اطلس جامع مغز انسان که به صورت منبع‌باز (open-source) منتشر شده، استاندارد جدیدی برای نقشه‌برداری مغز تعیین کرده و راه را برای پیشرفت‌های مبتنی بر هوش مصنوعی در درمان بیماری‌های تخریب‌کننده عصبی هموار می‌کند.

نکات کلیدی این دستاورد

• نقشه‌برداری جامع: BrainSTEM ۶۸۰,۰۰۰ سلول مغزی را برای ثبت تمام انواع اصلی سلول‌ها و مسیرهای رشدی نقشه‌برداری کرد.
• تمرکز بر پارکینسون: این اطلس نورون‌های دوپامینرژیک ضروری برای بازیابی کنترل حرکت در بیماری پارکینسون را شناسایی می‌کند.
• استاندارد دسترسی آزاد: یک مرجع جهانی مشترک برای بهبود مدل‌های مغزی و تسریع اکتشافات فراهم می‌کند.

دانشمندان دانشکده پزشکی Duke-NUS و همکارانشان یکی از جامع‌ترین نقشه‌های تک‌سلولی مغز در حال رشد انسان را ایجاد کرده‌اند. این اطلس جامع مغز انسان تقریباً تمام انواع سلول‌ها، اثر انگشت ژنتیکی آن‌ها، و نحوه رشد و تعامل آن‌ها را ثبت می‌کند. همچنین بهترین روش‌های آزمایشگاهی موجود برای تولید نورون‌های باکیفیت را محک می‌زند، که گامی بزرگ به سوی درمان‌های جدید برای بیماری پارکینسون و سایر اختلالات مغزی است.

اهمیت این اطلس جامع برای درمان پارکینسون

بیماری پارکینسون دومین اختلال تخریب‌کننده عصبی شایع در سنگاپور است که از هر ۱۰۰۰ نفر بالای ۵۰ سال، حدود سه نفر را تحت تأثیر قرار می‌دهد[1]. این بیماری به نورون‌های دوپامینرژیک مغز میانی آسیب می‌زند—سلول‌هایی که ماده شیمیایی دوپامین را برای کنترل حرکت و یادگیری آزاد می‌کنند. بازیابی این سلول‌ها می‌تواند روزی به کاهش علائمی مانند لرزش و از دست دادن تحرک کمک کند.

برای درک بهتر نحوه رشد این نورون‌ها در آزمایشگاه، تیم Duke-NUS یک چارچوب نقشه‌برداری دو مرحله‌ای به نام BrainSTEM (نقشه‌برداری دو لایه‌ای تک‌سلولی مغز) ساخت. آن‌ها با همکاری شرکای خود، از جمله دانشگاه سیدنی، نزدیک به ۶۸۰,۰۰۰ سلول از مغز جنین را تجزیه و تحلیل کردند تا کل چشم‌انداز سلولی را نقشه‌برداری کنند.

مرحله دوم با وضوح بالاتر بر روی مغز میانی تمرکز دارد—و نورون‌های دوپامینرژیک را با دقتی بیشتر شناسایی می‌کند. این «نقشه مرجع جامع» اکنون استانداردی را برای دانشمندان سراسر جهان فراهم می‌کند تا دقت مدل‌های مغز میانی را در مقایسه با مغز واقعی انسان ارزیابی کنند.

دکتر هیلاری تو (Hilary Toh)، کاندیدای MD-PhD از برنامه علوم اعصاب و اختلالات رفتاری دانشکده پزشکی Duke-NUS و یکی از نویسندگان اول مقاله، گفت: «طرح داده-محور ما به دانشمندان کمک می‌کند تا نورون‌های دوپامینرژیک مغز میانی با بازدهی بالا تولید کنند که بازتاب دقیقی از بیولوژی انسان باشند. پیوندهایی با این کیفیت برای افزایش اثربخشی سلول‌درمانی و به حداقل رساندن عوارض جانبی حیاتی هستند و راه را برای ارائه درمان‌های جایگزین به افراد مبتلا به بیماری پارکینسون هموار می‌کنند.»

چالش تولید سلول‌های دقیق و نقش هوش مصنوعی

این مطالعه که اخیراً در مجله Science Advances منتشر شده است، نشان داد که بسیاری از روش‌های مورد استفاده برای رشد سلول‌های مغز میانی، سلول‌های ناخواسته‌ای را نیز از سایر مناطق مغز تولید می‌کنند. این نشان می‌دهد که هم تکنیک‌های آزمایشگاهی و هم تجزیه و تحلیل داده‌ها برای شناسایی و حذف این سلول‌های خارج از هدف (off-target) نیاز به بهبود دارند.

دکتر جان اویانگ (John Ouyang)، دانشمند محقق ارشد از مرکز زیست‌شناسی محاسباتی Duke-NUS و یکی از نویسندگان ارشد این مطالعه، گفت: «BrainSTEM با نقشه‌برداری مغز در وضوح تک‌سلولی، به ما این دقت را می‌دهد که حتی جمعیت‌های سلولی ظریف و خارج از هدف را نیز تشخیص دهیم. این جزئیات غنی سلولی، پایه‌ای حیاتی برای مدل‌های مبتنی بر هوش مصنوعی فراهم می‌کند که نحوه گروه‌بندی بیماران و طراحی درمان‌های هدفمند برای بیماری‌های تخریب‌کننده عصبی را متحول خواهد کرد.»

استادیار آلفرد سان (Alfred Sun) از برنامه علوم اعصاب و اختلالات رفتاری Duke-NUS، که او نیز از نویسندگان ارشد مقاله است، افزود: «BrainSTEM گام مهمی رو به جلو در مدل‌سازی مغز است. با ارائه یک رویکرد دقیق و داده-محور، توسعه درمان‌های سلولی قابل اعتماد برای بیماری پارکینسون را تسریع می‌بخشد. ما در حال تعیین استاندارد جدیدی هستیم تا اطمینان حاصل کنیم که نسل بعدی مدل‌های پارکینسون، بیولوژی انسان را به درستی بازتاب می‌دهند.»

اطلس مغز انسان به صورت منبع‌باز (Open-Source) منتشر شد

این تیم اطلس‌های مغز خود را به عنوان یک مرجع منبع‌باز و فرآیند نقشه‌برداری چند لایه‌ای را به عنوان یک بسته آماده استفاده ارائه خواهند کرد. از آنجایی که BrainSTEM چارچوبی است که می‌تواند برای جداسازی هر نوع سلولی در مغز به کار رود، آزمایشگاه‌های سراسر جهان می‌توانند از آن برای تعمیق بینش‌ها، اصلاح گردش کار و تسریع اکتشافات در سراسر علوم اعصاب استفاده کنند.

پروفسور پاتریک تان (Patrick Tan)، معاون ارشد تحقیقات در Duke-NUS، گفت: «این مطالعه معیارها را بازتعریف می‌کند—و نقشه‌برداری چند لایه‌ای را به عنوان امری ضروری برای ثبت جزئیات سلولی در سیستم‌های بیولوژیکی پیچیده تثبیت می‌کند. با آشکار ساختن جزئیات دقیق نحوه رشد مغز میانی انسان، ما تحقیقات پارکینسون و سلول‌درمانی را تسریع خواهیم کرد، مراقبت بهتری ارائه خواهیم داد و به افراد مبتلا به این بیماری امید خواهیم بخشید.»

تأمین مالی: این تحقیق توسط برنامه‌هایی از جمله گرنت احتراق USyd-NUS و صندوق تحقیقات پارکینسون Duke-NUS از طریق کمک مالی سخاوتمندانه بنیاد Ida C. Morris Falk پشتیبانی شده است.

سوالات کلیدی پاسخ داده شده:

س: BrainSTEM چیست و چه دستاوردی دارد؟ BrainSTEM یک چارچوب نقشه‌برداری تک‌سلولی است که تقریباً تمام انواع سلول‌ها را در مغز در حال رشد انسان ترسیم می‌کند و نشان می‌دهد که چگونه نورون‌ها با وضوح بی‌نظیری شکل می‌گیرند، رشد می‌کنند و تعامل دارند.

س: این چگونه می‌تواند به تحقیقات پارکینسون کمک کند؟ این اطلس، نورون‌های دوپامینرژیک مغز میانی—سلول‌هایی که در بیماری پارکینسون آسیب می‌بینند—را شناسایی می‌کند و به دانشمندان کمک می‌کند تا جایگزین‌های دقیق‌تری را در آزمایشگاه برای درمان‌های آینده ایجاد کنند.

س: چرا این یک پیشرفت بزرگ در علوم اعSAP-AN (neuroscience) است؟ BrainSTEM با تجزیه و تحلیل ۶۸۰,۰۰۰ سلول مغزی، معیار جدیدی برای دقت و شفافیت در مدل‌سازی مغز تعیین می‌کند و یک مرجع جهانی برای هدایت اکتشافات و پزشکی بازساختی فراهم می‌آورد.