مقدمة في علم الأحياء العصبي التنموي

تستكشف البيولوجيا العصبية التطورية كيف يمكن لعدد قليل من الخلايا الجنينية المبكرة أن تتحول إلى جهاز عصبي منظم بدقة يتحكم في الكائن الحي بأكمله.

يهتم العلماء في هذا المجال بكيفية اكتساب الخلايا لهويات محددة، وهجرتها إلى مناطق معينة، واتصالها لتكوين نظام وظيفي. وتعد هذه العمليات مهمة لفهم كيفية عمل الجهاز العصبي، بالإضافة إلى تشخيص وعلاج مجموعة واسعة من الأمراض العصبية المتجذرة في التطور غير الطبيعي.

سيأخذكم هذا الفيديو في جولة موجزة عن تاريخ البيولوجيا العصبية التطورية، ويستعرض الأسئلة الرئيسية في هذا المجال، ويستكشف الطرق البارزة المستخدمة للإجابة على تلك الأسئلة. وأخيراً، سنلقي نظرة على بعض التطبيقات العملية لأبحاث التطور العصبي.

لنبدأ ببعض الدراسات المرجعية من تاريخ البيولوجيا العصبية التنموية.

تعود أبحاث التطور العصبي المبكرة إلى القرن التاسع عشر. ففي ثمانينيات القرن التاسع عشر، أسس Wilhelm His دراسة تكوين الأنسجة، أو الأصول الجنينية للأنسجة. وكان من أوائل الذين راقبوا الخلايا العصبية النامية وهي تمد استطالاتها مثل المحاور والزوائد الشجيرية.

وفي عام 1924، درس عالمَا الأجنة Hans Spemann وHilde Mangold وظيفة مجموعة من الخلايا تُعرف باسم مُنظِّم Spemann. ووجدا أن نقل هذا المنظِّم إلى جنين آخر يحفز تكوين نسيج عصبي ثانوي.

ثم في الخمسينيات، لاحظت Rita Levi-Montalcini وStanley Cohen أن زرع قطع من الأورام في أجنة الدجاج النامية أدى إلى نمو عصبي سريع. وتوقعا أن الورم يفرز مادة تسبب هذا النمو، وسرعان ما حددا هذا البروتين على أنه عامل نمو الأعصاب، أو NGF، وهو ضروري لبقاء الخلايا العصبية.

وفي دراسة نقل أخرى، استبدلت Nicole Le Douarin أجزاءً من أجنة الدجاج بأخرى من السمان. ومن خلال تتبع خلايا السمان خلال مراحل التطور، أظهرت أن مجموعة من الخلايا ذات قدرة عالية على الهجرة، تُعرف باسم العرف العصبي، تعطي الأصل للأعصاب الطرفية الناضجة.

وبعد بضع سنوات، درس Pasko Rakic كيف ترتب خلايا الجهاز العصبي المركزي نفسها في هياكل عالية التنظيم أثناء التطور. وقام Rakic بوسم الخلايا المنقسمة في الأجنة النامية باستخدام نيوكليوتيدات مشعة، مما سمح له بتحديد وقت ولادة الخلايا الدماغية وموقع وجهتها النهائية في الدماغ الناضج.

خلال العقود الأخيرة من القرن العشرين، ظهر عصر جديد من الأبحاث ركز على الإشارات الخلوية والجزيئية التي توجه تطور الجهاز العصبي.

على سبيل المثال، في منتصف التسعينيات، أظهر Tom Jessell أن عوامل نسخ معينة، وهي بروتينات تساعد في التحكم في التعبير الجيني، أثرت على تطور أنواع فرعية فريدة من الخلايا العصبية في الحبل الشوكي النامي للفأر. واستكمالاً لهذا العمل، لا يزال الباحثون اليوم يحددون جينات جديدة تتحكم في التطور العصبي.

بعد أن استعرضنا بعض النقاط التاريخية البارزة، دعونا نتناول بعض الأسئلة الرئيسية في علم الأحياء العصبي النمائي الحديث.

يدرس العديد من الباحثين تشكيل الأنماط وتحديد مصير خلايا الجهاز العصبي. فعلى سبيل المثال، يهتمون بالبرمجة الجينية التي توجه الخلايا الجذعية المبكرة للتمايز إلى إما عصبونات أو خلايا دبقية، وهي الخلايا الداعمة للجهاز العصبي. وقد يبحثون أيضاً في الإشارات المفرزة التي تؤثر على الهويات الأكثر تخصصاً ضمن فئة معينة من الخلايا أو في مواقع محددة.

ومن التركيزات الرئيسية الأخرى كيفية قدرة العصبونات والخلايا الدبقية النامية على تنظيم نفسها والتجمع لتكوين الجهاز العصبي الناضج. حيث يدرس بعض الباحثين ديناميكيات الهيكل الخلوي للخلايا التي تهاجر من منشئها إلى الموقع الذي ستؤدي فيه وظيفتها. بينما يهتم آخرون بكيفية تأثير الإشارات القادمة من البيئة خارج الخلوية على السلوك الهجري.

كما يقيم علماء الأعصاب النمائيون كيفية تشكيل الروابط بين الخلايا وصقلها على مدار عملية النمو. وتركز بعض الدراسات على وظيفة مستقبلات توجيه المحاور، وهي بروتينات على سطح الخلية تكتشف الإشارات الخارجية وتوجه المحاور النامية، أو الزوائد الشجرية، إلى الخلايا المستهدفة. وهناك تركيز آخر يتمثل في دراسة الروابط الفيزيائية والكيميائية المشاركة في تكوين المشابك العصبية، وهي عملية تكوين روابط إشارات جديدة، أو مشابك عصبية، بين الخلايا.

الآن، دعونا نلقي نظرة على بعض الطرق البارزة المستخدمة للإجابة على بعض هذه التساؤلات المتعلقة بالتطور العصبي.

لدراسة التحكم الجيني في هوية الخلية وتشكيل الجهاز العصبي، من المفيد التلاعب بالتعبير عن جينات محددة في الأجنة النامية. إحدى الطرق الشائعة هي التثقيب الكهربائي in utero، حيث يتم إيصال DNA خارجي إلى دماغ القوارض النامية. ومن خلال تعريض رحم فأرة حامل ومخدرة، يمكن حقن DNA في أدمغة الأجنة وتطبيق تيار كهربائي لإجبار DNA على الدخول إلى الخلايا المحيطة. واعتماداً على التجربة، يمكن استخدام المواد التي تم تثقيبها كهربائياً إما لتعزيز التعبير الجيني أو منعه، مما يسمح للباحثين بفحص تأثير البروتينات الفردية على تطور الدماغ.

تُستخدم أنسجة الجهاز العصبي المركزي المستأصلة بشكل شائع لدراسة هجرة الخلايا أثناء التطور. وتتضمن هذه التقنية تشريح قطع صغيرة من الدماغ أو النخاع الشوكي وزراعتها in vitro. وتكمن الميزة الرئيسية لهذا النهج في أن الأنسجة تكون متاحة للغاية لرصد حركات الخلايا عبر التصوير بالفاصل الزمني. بالإضافة إلى ذلك، يمكن دراسة تأثيرات جزيئات محددة على الهجرة بسهولة في المستأصلات من خلال إضافة عوامل النمو أو المثبطات الدوائية إلى أوساط الزراعة.

ولدراسة الجزيئات الأساسية لتكوين الشبكات العصبية، يمكن استخدام الكيمياء النسيجية المناعية. وتستفيد هذه التقنية من خصوصية الأجسام المضادة لتحديد موقع بروتينات معينة في الخلايا والأنسجة. ويمكن أن يساعد تصور تموضع البروتين باستخدام المجهر الفلوري الباحثين في وضع فرضيات حول كيفية تأثير هذه الجزيئات على تكوين ووظيفة هياكل مثل المشبك العصبي.

بعد أن أصبحت على دراية ببعض مناهج دراسة العلوم العصبية التنموية، دعنا نلقي نظرة على تطبيقات هذه الأبحاث في المختبرات الحالية.

يتمثل الهدف الرئيسي لدراسة التطور العصبي في فهم كيفية تحديد هوية الخلية وشكلها المورفولوجي. ولدراسة التحكم الجيني في تطور العصبونات، قام هؤلاء الباحثون بإدخال تركيبات تثبيط الجينات (gene knockdown constructs) في الجهاز العصبي النامي لصرخ الكتكوت عبر التثقيب الكهربائي. كما تم وسم العصبونات التي خضعت للتثقيب الكهربائي داخل الأنبوب العصبي عن طريق حقن الصبغة، وذلك لمقارنة مورفولوجيا المحاور العصبية بين الخلايا الضابطة والخلايا المعدلة وراثياً.

ولدراسة كيفية إنشاء العصبونات للروابط، قام هؤلاء الباحثون باستزراع عصبونات مستخرجة من صغار الجرذان. وبعد عدة أيام من الاستزراع، تم تثبيت الخلايا وصبغها بأجسام مضادة متخصصة في البروتينات المشبكية، مما سمح بقياس كمية تشكل المشابك العصبية تحت ظروف تجريبية متعددة، مثل التعبير المفرط للجينات، أو الاستزراع في وسط نمو معدل.

وباستخدام معرفتهم بالبرنامج الذي يقود التطور العصبي، يمكن للباحثين اليوم توجيه الخلايا الجنينية المبكرة، مثل الخلايا الجذعية، قسرياً نحو مسارات تمايز محددة in vitro. وقد قام هؤلاء الباحثون بمعالجة خلايا جذعية بشرية بمشتق فيتامين A، وهو حمض الريتينويك، مما أدى إلى تقليل تعبير عوامل النسخ التي تحافظ على هوية الخلايا الجذعية وتعزيز تعبير المؤشرات العصبونية. وتوفر هذه التقنية للباحثين مصدراً قيماً للعصبونات البشرية لاستقصاء الآليات الكامنة وراء الأمراض العصبية.

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE حول العلوم العصبية التنموية. استعرض هذا الفيديو أبرز المحطات التاريخية، والأسئلة الجوهرية التي يطرحها علماء الأعصاب التنمويون، وبعض التقنيات التي يستخدمونها.

شكراً للمشاهدة!