لماذا لا يمكنك التعرف على الدماغ البشري من والجرذان والفئران

يتعلق الكثير من الإنفاق على أبحاث علم الأعصاب والمخرجات المنشورة بالدراسات التي أجريت على الفئران والفئران. يتم تقديم نتائج هذه بشكل عام على أنها ممثلة عالميا لوظائف الدماغ عبر الأنواع. من المؤكد أن جميع أدمغة الثدييات تحمل بعض أوجه التشابه الهيكلية والوظيفية ، وتوفر هذه الأنظمة نظرة ثاقبة لطبيعة العمليات الخلوية. علاوة على ذلك ، على الأقل من الناحية الشكلية ، تبدو الخلايا العصبية متشابهة. كل هذا يمكن أن يكون مفيدا للغاية في تجربة التقنيات وفهم المفاهيم العامة. لكن استقراء نتائج محددة من هذه المخلوقات إلى البشر يمكن أن يكون مضللا.

من الواضح للجميع أن الدماغ البشري ينتج قدرات فريدة أكثر من الأنواع الأخرى. والسؤال هو في أي مستوى تتجلى هذه الاختلافات وأين يجب أن نرسم حدود الاستقراء.

مناهج المستوى الخلوي لفهم وظائف المخ

هناك ثلاثة مجالات رئيسية لدراسة وظائف الدماغ على المستوى الخلوي – التعبير الجيني ، الذي يملي مجموعة الأدوات الجزيئية والمكونات التي تبنيها الخلية وتستخدمها لتشكيل وصلات وتعديل نشاطها ، اللدونة المشبكية ، والتي تبحث في كيفية توصيل الخلايا العصبية وتغيير طبيعة اتصالاتها استجابة للمنبهات ، ونشاط متصاعد – أنواع الأنماط الزمنية التي تنتجها استجابة لمحفز أو بالاشتراك مع السلوكيات.

دراسة اللدونة المشبكية وأنماط ارتفاع الخلايا العصبية غازية للغاية وتتطلب وصولا مباشرا إلى الأنسجة. تتم معظم التجارب عن طريق استخراج الأنسجة من أدمغة الفئران والجرذان وزراعتها في طبق. تسمى هذه التجارب في المختبر ، أي تتم في طبق ، وتتطلب التضحية بالحيوان. يتضمن النهج الآخر فتح أو حفر ثقوب في جماجم الفئران أو الجرذان أو لوضع أقطاب كهربائية أو توصيل مادة وراثية تنتج جزيئات (على سبيل المثال ، تلك التي تتألق) التي تمكن من تصوير الخلايا. في هذه الحالة ، يمكنك دراسة نشاط الخلايا والأنسجة في الجسم الحي أو أثناء استيقاظ وتصرفه. ومع ذلك ، لا يمكن دراسة النشاط المشبكي أو ارتفاع الخلايا العصبية بسهولة في البشر إلا إذا كانوا يخضعون لعملية جراحية في الدماغ لغرض آخر ويوافقون على بعض التحقيقات التجريبية التي تنطوي بشكل طبيعي على مخاطر. من ناحية أخرى ، تتم دراسة التعبير الجيني بسهولة أكبر عبر الأنواع باستخدام عينات أنسجة ما بعد الوفاة ويرتبط ارتباطا وثيقا باللدونة المشبكية وإطلاق السنبل.

التعبير الجيني في الدماغ البشري بالنسبة للأنواع الأخرى

يعبر الدماغ البشري عن ذخيرة أكبر بكثير من الجينات من أي نوع آخر. تظهر إحدى الدراسات ما يصل إلى جينات عام 2014 التي يتم التعبير عنها بشكل تفاضلي في الدماغ البشري بالنسبة لأدمغة الشمبانزي (Khaitovich et al). علاوة على ذلك ، تنتشر هذه الجينات عبر جميع العمليات الخلوية المعروفة ، من التمايز العصبي وتطوره إلى النقل المشبكي ونقل الإشارات وحتى عمليات التمثيل الغذائي. هذا مؤشر قوي على أن الخلايا لديها بعض الاختلافات العالمية في كيفية عملها. وتجدر الإشارة أيضا إلى نتائج معهد ألين حول الاختلافات في التعبير الجيني بين الفأر والبشر. ووجدوا أن أنماط التعبير الجيني المرتبطة بأمراض مختلفة لدى البشر مثل مرض الزهايمر لا يتم ملاحظتها في الفأر ، مما يشير إلى أن هذا هو أحد أسباب عدم عمل الأدوية التي تعمل مع أدمغة الفئران في كثير من الأحيان على البشر.

ومن المثير للاهتمام أن Khaitovich et al (مجموعة Svante Paabo) وجدوا أيضا بعض التنوع بين البشر مشيرين إلى أن الاختلافات بين مناطق الدماغ داخل أي فرد كانت أقل بكثير من الاختلافات بين الأفراد. تظهر دراسة أخرى أكثر حداثة (اقرأ المزيد عنها هنا) أن الخلايا العصبية الفردية تقوم بالفعل بتحرير جيناتها وبالتالي يمكن أن يكون لها أنماط تعبير مختلفة على نطاق واسع من خلية إلى أخرى. أخيرا ، يمكن للسلوك أو السياق البيئي تغيير أنماط التعبير الجيني (اقرأ المزيد هنا). تضيف هذه المصادر العديدة للتنوع الخلوي والتنوع الأكبر عموما للتجارب بين الناس مقارنة بالأنواع الأخرى طبقة أخرى من التعقيد.

كل هذا يعني أن الدماغ مختلف اختلافا جوهريا ومتنوعا بشكل كبير في البشر مقارنة بالأنواع الأخرى. ما يصلح للفئران من غير المحتمل أن يعمل مع البشر وما يصلح لشخص ما قد لا يعمل حتى مع شخص آخر.

قصة الدبقية

ومع ذلك ، فإن القصة الكبيرة التي قد تظهر هي أن أكبر الاختلافات ليست في الخلايا العصبية ، وهي الخلايا المشاركة في الإشارات الكهربائية السريعة ، ولكن في الخلايا الدبقية. يفوق عدد الخلايا الدبقية عدد الخلايا العصبية في الدماغ البشري بمقدار 1.4 مرة تقريبا ولكن كان يعتقد منذ فترة طويلة أنها تلعب مجرد دور التدبير المنزلي. ومع ذلك ، أظهرت دراسة من مختبر Nedergaard أن الخلايا النجمية البشرية (نوع من الخلايا الدبقية) أكبر قطرها بمقدار 2.6 مرة ، وتمتد إلى 10 أضعاف العمليات في البشر وتأتي في أنواع فرعية أكثر تعقيدا من الفئران. كما أنها تنشر موجات Ca2 + 4 مرات أسرع من تلك الموجودة في الفئران. تظهر الدراسات من مختبر بن باريس أن الخلايا الدبقية تلعب دورا أكثر أهمية ونشاطا في تعديل سلوك الخلايا العصبية مما كان يعتقد سابقا. ومع ذلك ، فإن أكثر هذه النتائج إثارة للاهتمام هو أن الخلايا النجمية البشرية تستجيب بقوة أكبر للغلوتامات مقارنة بالفئران (تشانغ وآخرون). الغلوتامات هي جزيء الإشارات العصبية الأكثر انتشارا في الدماغ مما يشير إلى أن الخلايا الدبقية قد يكون لها دور أكبر في تشكيل الديناميكيات الكهربائية للدماغ البشري.

بالنظر إلى هذه الاختلافات بين الخلايا الدبقية البشرية والفأر ، ربما ليس من المستغرب أن يكون التعبير الجيني أكثر اختلافا بين الفأر والبشر في الخلايا الدبقية وليس الخلايا العصبية. أظهرت دراسة أجراها Hawrylycz et al من معهد Allen اختلافات أكبر بين التعبير الجيني غير العصبي ، وقد أظهر Zhang et al (مختبر Barres) اختلافات كبيرة في التعبير الجيني للخلايا النجمية في الفئران والبشر ، ولاحظ مختبر Pavlidis أن أنماط التعبير الجيني بين الخلايا العصبية والخلايا الدبقية قليلة التغصن (نوع آخر من الخلايا الدبقية) تم تبديلها بالفعل.

تشير هذه النتائج إلى أن خلايا الدماغ البشري يمكن أن تتصرف بشكل مختلف تماما. يمكن للمرء أن يتخيل التشبيه بأن دراسة نوع من الذرة لاستنتاج خصائص نوع آخر قد لا يكون أفضل نهج ، وقياسا على ذلك ، فإن دراسة الخلايا العصبية من نوع واحد من لاستنتاج شيء ما عن نوع آخر. هذا يجعل النهج من أسفل إلى أعلى معقدا بشكل غير عادي ويلقي بظلال من الشك على أهمية معظم نتائج علم وظائف الأعضاء التي تم الحصول عليها من الأنواع الأخرى بالنسبة للبشر.

إلى أين نذهب من هنا؟

الكثير من الأبحاث على لها جذورها في إطار اختزالي يفترض أنه لفهم النظام ، يجب على المرء أن يعرف وظيفة وسلوك عناصره. يمكن للمرء بعد ذلك استنتاج السلوك العام للنظام. إذا أردنا الاشتراك في مثل هذا الإطار ، فبالنظر إلى ما نعرفه عن الاختلافات بين والبشر ، فسيتعين علينا القيام بالمهمة الضخمة المتمثلة ليس فقط في فهم خلية عصبية واحدة في إنسان واحد ولكن أيضا مليارات الخلايا العصبية والخلايا الدبقية التي يحتمل أن تكون فريدة وراثيا في كل إنسان. المهمة ضخمة من الناحية الفنية.

وبالطبع ، هناك سؤال حول ما إذا كان النهج التصاعدي هو المسار الصحيح لما نريد تحقيقه في فهمنا للدماغ البشري. ضع في اعتبارك أنه عندما نريد فهم خصائص المادة التي تصف طبيعتها وفائدتها ، فإن ما يهم هو ميزاتها الكلية مثل اللون والصلابة. نحن لا نسعى إلى التنبؤ بذلك من خلال قياس دوران الإلكترون لكل ذرة وطاقات الرابطة الخاصة بها (والتي يمكن أن تعمل بشكل جيد في بعض الأحيان ولكنها ستكون باهظة الثمن وصعبة من الناحية الفنية) ولكننا نسعى إلى أدوات قياس مختلفة على مستوى النظام تكون أسهل بكثير وفي النهاية أكثر إفادة من الناحية العملية. يتعلق الأمر بشكل أساسي بما نحاول تحقيقه وكيف نريد أن يساهم العلم في فهم البشرية ورعايتها للدماغ البشري.