إن الخرائط التفصيلية الأولى لما تقوم به جيناتنا داخل أدمغتنا، تُظهر مدى اختلافنا الكبير
عن الفئران وتطعن بالنظرية التي بقيت إلى أمد طويل تشرح آلية عمل مادتنا السنجابية (1).
<Ed. لين> - <M. هوريليش>
باختصار
نجحت الجهود الضخمة لابتكار «أطلس» لدماغ الإنسان وذلك بوضع خريطة لنشاط كافة الجينات الموجودة في ستة أدمغة بالغة نموذجية بكاملها.
وأظهر الأطلس الجديد اختلافات عميقة بين أدمغة الفئران والبشر؛ مما أتاح طرح التساؤلات حول الاستخدام الواسع للفئران كنماذج تجريبية بديلة عن البشر.
والأطلس، مع المشروعات الأخرى الجارية لرسم خريطة لبنية الدماغ المفصلة، سيُستخدم كمراجع فاصلة في البحث عن أسباب الأمراض العصبية وعلاجاتها.
تقوم عيناك، وأنت تقرأ هذه الكلمات، بمسح هذه الصفحة ملتقطة أنماطا يضفي دماغك معنى إليها. وفي أثناء ذلك، يتقلص قلبك ويسترخي، ويعلو حجابك الحاجز وينخفض ضبطا لتنفسك، وتتوتر عضلات ظهرك حفاظا على وضعيتك، ويستمر أداء ألف واجب أساسي آخر من واجبات الحياة الواعية ودون الواعية، حيث تكون هذه العمليات كلها خاضعة لضبط منسق يشرف عليه نحو 86 بليون نورون (عصبون) neuron وعدد مماثل من الخلايا الداعمة داخل جمجمتك. وأمثالنا من اختصاصيي العلوم العصبية يعتبرون حتى الفعل البسيط، كقراءة مجلة مثلا، مفخرة مدهشة - فضلا عن كونه مثالا لما قد يكون أصعب مشكلة تواجهنا في العلم حاليا: في الحقيقة، نحن لا نستطيع حتى الآن تقديم تفسير واف للآلية التي تجعل دماغ الإنسان قادرا على التفكير، ولا للسبب الذي يجعل دماغ القرد غير قادر على المحاكمة العقلية كما نفعل نحن.
ومع أن الدراسة المكثفة لدماغ الإنسان التي قام بها علماء الجهاز العصبي على مدى أكثر من قرن، فما زلنا نشعر أحيانا كما يشعر مستكشفون نزلوا للتو في شواطئ قارة مكتشفة حديثا وقامت طلائعهم برسم الحدود العامة والخطوط العريضة لخريطتها. ففي أوائل القرن التاسع عشر، قام العالم الألماني <K. برودمان> بتقطيع دماغ الإنسان إلى شرائح وضعها تحت مجهره لفحص القشرة الدماغية - وهي الطبقات الخارجية من المادة السنجابية gray matterالتي يتم فيها معظم العمليات المتعلقة بالإدراك والتفكير والذاكرة. فقد قسَّم <برودمان> هذه القشرة إلى عشرات من المناطق استنادا إلى طوبوغرافية الدماغ وإلى طبيعة تلون الخلايا في هذه المناطق عند وسمها بملونات مختلفة.
وقد سيطرت تدريجيا فكرة مفادها أن كل منطقة وكل عنقود من نوع معين من الخلايا تُسَيّر فيهما مجموعة نوعية من الوظائف. ومع أن بعض علماء الجهاز العصبي اعترض على هذه النظرية القائلة بتحدد الوظيفة بالمكان؛ فقد عاد نموذج التقسيم هذا إلى الرواج مع ظهور أدوات جديدة أبرزها التصوير بالرنين المغنطيسي الوظيفي (MRI) ا(2) الذي يسجل أيًّا من أجزاء الدماغ الذي «يضيء» (يستهلك الأكسجين) عندما يقرأ الناس أو يحلمون، أو حتى عندما يكذبون. ويستغل الباحثون هذه التقنية لوضع «خرائط» تربط ما يرصدونه بهذه الأدوات بالسلوك البشري في العالم الحقيقي.
بيد أن إحدى المدارس الفكرية التي ظهرت مؤخرا تذهب إلى أن الدماغ أكثر شبها بشبكة اجتماعية غير رسمية منه بشبكة تتقاسم أجزاؤها العمل فيما بينها بصرامة بالغة. وبحسب هذه النظرة، فإن سلوك النورون يتوقف على ارتباطاته بخلايا الدماغ الأخرى أكثر مما يتوقف على موضعه، وسلوك أي منطقة كانت يتأثر بشدة بتجربتها الماضية وحالتها الراهنة. فإذا كانت هذه الفكرة صحيحة، يمكننا أن نتوقع أن هناك تداخلا بين نشاطات هذه المواقع المتمايزة التي تؤدي واجبات الدماغ. وسيتطلب اختبار هذه الفرضية براعة من نوع ما؛ فمن الصعب تعقب دارات الدماغ وتعقب بلايين النورونات في دماغ الإنسان ووصلاتها التي يقدر عددها بنحو 100 تريليون ارتباط، أو مشبك synapse. ومع ذلك، فهناك مشروعات قائمة لتطوير الأدوات الجديدة التي يحتاج إليها هذا العمل [انظر الإطار "مشروعات الدماغ الأخرى"].
وفي عام 2003 عندما نشر مشروعُ الجينوم البشري(3) متواليةَ حروف الكود في الدنا البشري(4)، انتهزنا وزملاؤنا (بمعهد ألين لعلوم الدماغ في سياتل) الفرصةَ لاستخدام القائمة الجديدة لنحو 20 ألفا من الجينات البشرية إلى جانب أنظمة مسح الجينات الآخذة بالتحسن السريع، للنظر إلى دماغ الإنسان من منظور جديد قد ينفع في حل هذا الجدل. وقد أدركنا أن دمج أدوات علم الوراثة في تلك المستخدمة في العلوم العصبية الكلاسيكية قد يمكننا من الولوج عميقا في أدغال القارة المجهولة: يمكننا فعليا أن نضع خريطة لأجزاء الجينوم النشطة والخاملة في كافة أنحاء الدماغ. وتوقعنا أن هذه الخريطة ستُظهر لنا مجموعة غير متجانسة إطلاقا من الجينات التي يختلف بعضها عن البعض الآخر باختلاف أجزاء الدماغ التي تنشط فيها: الجينات التي تنشط في الجزء الذي يعالج السمع، مثلا، تختلف عن تلك التي تنشط في الأجزاء التي تضبط اللمس أو الحركة أو المحاكمة العقلية.
كان هدفنا، الذي استغرق السعي إلى تحقيقه أخيرا نحو عقد من الزمن، هو إعداد أطالس ثلاثية الأبعاد توضح أين تعمل الجينات في الأدمغة عند البشر الأصحاء، وللمقارنة، عند الفئران. (ونعمل الآن على إضافة القرود إليها أيضا.) ويقدم مثل هذه الخرائط الجزيئية مقاييس نموذجية ثمينة لما هو «سَوَيٌّ» - أو نموذجي على الأقل - تعادل تقريبا الطريقة التي تم فيها إنتاج متوالية الدنا المرجعية عبر مشروع الجينوم البشري. ونتوقع أن تدفع هذه الأطالس عجلة التقدم في مجال العلوم العصبية ومجال اكتشاف الأدوية، في الوقت الذي تسمح فيه للباحثين باستكشاف ما يشبع فضولهم الأساسي لمعرفة تركيبة العقل الإنساني.
وبالفعل، فقد انطوت هذه الرؤى الجديدة عن العمل الداخلي لأدمغة الإنسان والقوارض على بعض المفاجآت. وإحدى هذه المفاجآت الكبيرة هي التالية: مع التفرد الذي يتمتع به كل شخص، فإن أنماط النشاط الجيني تتماثل كثيرا من دماغ إنسان إلى آخر. ومع اختلافاتنا، يشترك الناس في جغرافية جينية مشتركة في أدمغتهم. إضافة إلى ذلك، وعلى غير ما هو متوقع، لم نجد أي فرق جوهري في أفعال الجينات بين الدماغ الأيسر والأيمن عند الشخص الواحد. ومع أن استخدام الفئران، كبدائل تجريبية عن البشر في معظم بحوث العلوم العصبية وتجارب ابتكار الأدوية، فقد اتضح من هذه النتائج الجديدة أن البشر ليسوا ببساطة فئراناً كبيرة على المستوى الجيني. وهذا الاكتشاف يشكك في صحة استعمال الفئران كنماذج لفهم البيولوجيا العصبية للنوع البشري.
من الفأر إلى الإنسان(**)
لم يقم أحد قطّ من قبل بوضع خريطة جينية كاملة لدماغ أحد الثدييات. ولإكمال العديد من التفاصيل، بدأنا عملنا بصورة تدريجية انطلاقا من دماغ فأر. فعدد الجينات لدى الفئران يكاد يماثل عددها عند البشر، لكن أدمغتهم لا تبلغ كتلتها سوى 3000/1 من كتلة أدمغتنا.
وخلال ثلاث سنوات عالجنا أكثر من مليون شريحة من شرائح دماغ الفأر، حيث كنا نغمر كلا منها بواسمات مرئيةvisible markers تلتصق بأي مكان يجري التعبير فيه عن جين gene معين - مما يعني أن الجين قيد الاستعمال؛ أي إنه يُنسخ من الدنا DNA على شكل قطعة قصيرة من الرنا RNA تدعى نسخة tran******. ونسخ الرنا هذه هي مراحل متوسطة في الطريق إلى المنتج النهائي المكود(5) من قبل الجين، والذي يكون عادة بروتيناً يقوم بعمل ما في الخلية، كتنفيذ تفاعل إنزيمي أو الدخول كمكون في إحدى الماكينات الخلوية. وبعض نسخ الرنا هذه يقوم بعمل مفيد مباشرة من دون أن تترجم أبدا هذه النسخ إلى شكل بروتيني، وقد تمكنا من التنقيب عن نحو ألف نوع من أنواع الرنا غير المكودة المذكورة، إضافة إلى الجينات جميعها المكودة للبروتين.
إلى جانب صقل تقنياتنا، فقد حصلنا من مشروع الفأر على إحدى أولى هباتنا. وكما هي حال الإنسان طبعا، فإن كل خلية في الفأر تقريبا تحتوي على مجموعة كاملة من الكروموسومات chromosomes، ومن ثم على نسخة واحدة على الأقل من كل جين من جينوم genome الحيوان. وفي الخلايا الناضجة، فإن جزءاً كبيراً من هذه الجينات يبقى صامتا في أي لحظة مفترضة – أي لا يكون هذا الجزء منهمكا بتصنيع جزيء من الرنا. ومع ذلك، فعندما أكملنا أطلس الفأر سنة 2006، رأينا أن العديد من الجينات – أكثر من أربعة من كل خمسة جينات – عند الفئران كان يواصل عمله في مكان ما من أدمغة الحيوانات لحظة نفوقها. (وعلماء البيولوجيا العصبية يعرفون جيدا أن الجزء الأكبر من أنماط النشاط الجيني يتبدل خلال مدة زمنية تقدر بالساعات أثناء الحياة ويستمر عدة ساعات بعد الموت.) وعندما بدأنا بوضع الخطط لابتكار أطلس لدماغ الإنسان، تساءلنا عما إذا كانت أدمغة البشر ستُظهر مستوى عاليا من النشاط الجيني بالطريقة ذاتها - والأكثر أهمية، هو ما إذا كانت أنماط النشاط النوعية ستماثل تلك التي لاحظناها في الفئران.
[مشروعات الدماغ الأخرى]
علم كبير في الميدان(***)
يجري العمل في عدة مشروعات تستمر سنوات وبتمويل جيد في الولايات المتحدة وأوروبا لحل لغز التعقيد الرهيب للدماغ. وبعضها يتتبع الارتباطات العصبية ضمن الأدمغة، وبعضها الآخر يصنع نماذج ثلاثية الأبعاد وفائقة الدقة لدماغ الإنسان أو يرسم خريطة «التعبير»، أو النشاط الجيني في أدمغة الحيوانات الأخرى.
SyNAPSE هو برنامج وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة (DARPA) الذي يهدف إلى خلق نظائر رقمية للدماغ من رقائق عصبية مشبكية تتضمن 10 بلايين نورون إلكتروني مترابطة عبر 100 تريليون مشبك. وفي عام 2012 نشرت مجموعة من الشركة IBM تقريرا يفيد بأن مختبر لورانس ليع¤رمور الوطني برهن في مرحلة التثبت من صحة فكرة مفهوم محاكاة الحاسوب العملاق، ولمدة نصف ثانية، على إمكان تقليد نشاط 530 بليون عصبون فائقة التبسيط يبلغ عدد مشابكها 137 تريليون مشبك تقريبا.
http://research.ibm.com/cognitive- computing/neurosynaptic-chips.shtml
مشروع أطلس موصولية دماغ الفأر بمعهد ألين لعلوم الدماغ في سياتل يقوم على إعداء النورونات بالفيروسات التي تصنع بروتينات متألقة بينما تشق طريقها ضمن الخلايا. وتتتبع الفيروسات الوهاجة الغصون المتفرعة الممتدة للخلايا العصبية المترابطة فيما بينها ضمن دارات واسعة ومعقدة.
http://connectivity.brain-map.org
مشروع أطلس دماغ الثدييات العليا اللابشرية الذي يعمل على وضع خريطة للتعبير الجيني في أدمغة قرود الريسيوس خلال تطورها من مرحلة مبكرة قبل الولادة حتى عمر أربع سنوات.
المشروع الممول من معهد الصحة الوطنية (NIH) جار الآن في معهد ألين.
http://blueprintnhpatlas.org
أنتج مشروع الدماغ الكبير BigBrain، وهو نتاج تعاون بين علماء من ألمانيا وكندا، نموذجا ثلاثي الأبعاد للدماغ البشري من امرأة عمرها 65 سنة وبدقة وصلت إلى 20 ميكرونا تكاد تكفي للتعرف على خلايا مفردة.
https://bigbrain.loris.ca
يعمل مشروع مجموع الارتباطات connectome البشرية، الذي أطلقه معهد الصحة الوطنية (NIH) بمشاركة اتحاد الجامعات في عام 2010، على تجنيد 1200 بالغ من الأصحاء – يتضمنون مئات أزواج التوائم وأشقائهم غير التوائم – لجمع صور مفصلة للدماغ والمتواليات الجينية والبروفيلات السلوكية لوضع قاعدة بيانات مرجعية.
http://humanconnectome.org
يسمح مشروع EyeWire، الذي وضعه معهد ماساشوسيتس للتقانة (.M.I.T) ا(6)، لأفراد من عموم الناس بالقيام ببعض الأعمال التي تساعد على رسم خريطة للسبل التي تسلكها النورونات الدماغية.
http://eyewire.org
مشروع الدماغ الأزرق، وهو جهد مشترك بدأته في عام 2005 مجموعة بحثية من الشركة IBM بالتعاون مع المعهد الاتحادي السويسري للتقانة في لوزان، ويستخدم حاسوبا عملاقا لبناء دماغ افتراضي في مجال البرمجيات. والمشروع هو محاكاة لعمود بحجم الدبوس قوامه طبقات قشرية من دماغ الجرذ تحتوي على 000 10 نورون تقريبا.
.
http://bluebrain.epfl.ch
مشروع دماغ الإنسان، وريث مشروع الدماغ الأزرق، أطلقه الاتحاد الأوروبي في الشهر 10/2013. ومدة المشروع عشر سنوات، وميزانيته 1.6 بليون دولار، ويهدف إلى إنشاء «مركز CERNلبحوث الدماغ» على غرار مركز الفيزياء الذرية الأوروبي CERN، وبمقدرات حاسوبية عالية تقارب تلك المستخدمة في مركز الفيزياء الذرية خارج جنيف الذي يدير مصادم هادرون الكبير (LHC) ا(7).
http://humanbrainproject.eu
وقد استلمنا أول دماغ لإنسان في صيف عام 2009 من رجل أمريكي إفريقي بعمر 24 سنة تم التبرع بدماغه من قبل عائلته. فقد أجرينا تصويرا بالرنين المغنطيسي لوضع نموذج افتراضي ثلاثي الأبعاد لهذا العضو السليم الذي قمنا بتجميده لاحقا. وتمَّ ذلك كله خلال 23 ساعة من وفاته جراء حادث مؤسف - وهذه المدة تكفي لحبس أنماط الرنا السليمة. وما عدا الربو، كان المتوفي بوضع صحي سليم تماما.
ومقارنة بمشروع دماغ الفأر، كان علينا تذليل الصعوبة الناجمة عن زيادة في الحجم مقدارها 3000 ضعف، فانتقلنا إلى طريقة مختلفة لقياس التعبير الجيني، حيث قمنا بتقطيع الدماغ المجمد إلى شرائح رقيقة ثم قمنا بتلوين هذه الشرائح وتصويرها بأدق التفاصيل. وبعد ذلك قام اختصاصيو التشريح باستخدام الليزر لقص العينات المجهرية من نحو 900 بنية انتقيناها مسبقا من كافة المواضع في الدماغ. وقام اختصاصيو البيولوجيا الجزيئية بتفحص جميع العينات باستخدام مصفوفات الدنا الدقيقة، وهي أداة ذكية تنتج بالجملة قياسات كميات الرنا بصورة متزامنة التي يوفرها الجين الواحد المكود للبروتين في الجينوم البشري.
[موجودات جديدة]
الأنماط المفاجئة في الفئران والبشر(****)
وجد المؤلفان وزملاؤهما أن نمط «التعبير» أو النشاط الجيني، لكامل الدماغ في الفئران (في الأسفل) يختلف كثيرا عنه في البالغين من البشر (في الصفحة المقابلة) والذي يكون متسقا بوضوح بين الرجال والنساء من مختلف الأعراق والأعمار. وتبين الشبكات الاختلافات في النشاط في أكثر من 100 موقع ضمن كل دماغ. [للتفاصيل، انظر «كيفية قراءة هذا المخطط»]
الجغرافية الجينية لدماغ الفأر
تظهر جينات الدنا البشري المكودة للبروتين بنسبة 90% تقريبا عند الفئران أيضا بطريقة أو بأخرى. ولكن عندما بحث المؤلفان في كيفية عمل نحو 1000 من هذه الجينات المشتركة فعليا ضمن أدمغة الفئران اكتشفوا اختلافات في أنشطة ثلث هذه الجينات المشتركة تقريبا. والنظرة السريعة للشكلين المعروضين هنا تظهر، على سبيل المثال، أن نمط النشاط الجيني الإجمالي خارج القشرة الدماغية يختلف بشكل ملحوظ بين البشر والفئران. ولكون العلماء يستخدمون الفئران عادة كبدائل عن البشر في تجارب الأدوية وأبحاث العلوم العصبية؛ فإن هذه النتيجة تعزز المخاوف من احتمال أن تأتينا هذه الممارسة بنتائج مضللة في بعض الحالات.
1 كيفية قراءة هذا المخطط
كما الجدول الذي يدرج المسافة بالأميال بين أي مدينتين في أطالس الطرقات، يعرض هذا المخطط «المسافة الجينية» the genetic distance بين أزواج المواقع في الدماغ – أو، وهو الأكثر تحديدا، عدد الجينات التي تختلف بشكل ملحوظ في مستوى نشاطها (أي، في عدد البروتينات التي تولدها) من مكان إلى آخر. وكل موقع طبيعي، مثل هذه البقعة في مهاد الفأر، يظهر على شكل صف وعمود (تمت تسمية أعمدة النوى المخيخية فقط هنا.) وفي كل نقطة في هذا الصف، يمثل حجم النقطة ولونها اختلاف النشاط بين هذا الموقع المعين في المهاد وموقع العينة في جزء من الدماغ ممثل بالعمود الذي يتقاطع معه. فبضع النقاط الأولى في هذا الصف، على سبيل المثال، يشير إلى أن جينات قليلة نسبيا تم التعبير عنها بشكل مختلف كثيرا في مهاد الفأر مقارنة بما يحدث في النوى المخيخية.
الجغرافية الجينية لدماغ الإنسان
ظهرت مفاجأة أخرى عندما فحص المؤلفان نمط النشاط الجيني بتفاصيله في أدمغة الإنسان. لقد كان النشاط الجيني متسقا بشكل ملحوظ (يظهر ذلك من خلال البقع الملونة ضوئيا والمستوية نسبيا) في كافة أنحاء القشرة الدماغية – وهي أحدث ما تطور من دماغنا في زمن ليس بالبعيد، والجزء الأكثر مساهمة بتسيير الوظائف بالغة التعقيد التي يتفرد بها البشر، كالقراءة والنطق والمحاكمة العقلية الرفيعة المستوى. والشيء ذاته ينطبق على المخيخ، مركز ضبط الحركة. ولكن أغلب مناطق الدماغ الأخرى تظهر اختلافا بينيا أكبر بكثير في مستويات التعبير الجيني. وتتضمن هذه المناطق بنى متعددة، كالحصين والجسر والبصلة، يشترك فيها البشر مع الطيور وغيرها من الفقاريات التي تجمعهم بها قرابة بعيدة جدا، وهي بنى تقوم بوظائف أكثر بساطة مثل التنفس والجوع والنوم.
«التشابه الجوهري للنشاط الجيني في أدمغة القرد والإنسان يدل على أن المصدر المحتمل لتميزنا هو تشابك النورونات(8)، وليس النشاط الجيني ضمن الخلايا.»
وبعد أن جمعنا البيانات من الدماغ الأول بهذه الطريقة، أدرجنا النتائج جميعا في قاعدة بيانات حاسوبية. وهكذا بات بإمكاننا أن نختار أي جين ونرى كمية الرنا الموافقة له والموجودة في كل واحدة من البنى المختبرة الـ900، ومن خلال ذلك، نعلم كم كان التعبير عن ذلك الجين نشيطا في الساعات التي سبقت وفاة المتبرع. ومع اختيارنا لجين تلو الآخر، كان مثيرا أن نرى بزوغ أنماط مختلفة جدا، وهنا يمكن أن يبدأ الاستكشاف الحقيقي.
ظلال المادة السنجابية(*****)
في المرحلة الأولى من تحليلنا الكلي لبيانات الدماغ الأول، فوجئنا باكتشاف أن أنماط التعبير الجيني في نصف الكرة الأيسر كانت مطابقة تقريبا لأنماطه في النصف الأيمن. وفكرة أن الجانب الأيسر للدماغ متخصص ببعض الوظائف، مثل الرياضيات واللغة، وأن الجانب الأيمن يسهم بقدر أكبر في التفكير الفني والإبداعي، قد تكون فكرة راسخة في الثقافة العامة. لكننا لم نجد أي دليل على مثل هذه الاختلافات في الأنماط الجينية ضمن ذلك الدماغ. كما أننا أثبتنا هذه النتيجة في الدماغ الثاني الذي فحصناه. وقد كانت النتائج حاسمة جدا، حيث درسنا نصف كرة واحدة فقط من كل دماغ من الأدمغة الأربعة التي عالجناها منذ ذلك الحين؛ وقد عَجَّل هذا الاكتشاف ببناء الأطلس بما يعادل سنة أو أكثر.
وكما وجدنا في الفئران، فقد كانت الغالبية العظمى من الجينات (84% من الأنواع المختلفة من نسخ الرنا التي بحثنا عنها) نشيطة في مكان ما من أدمغة الإنسان الستة. فالدماغ هو عضو يؤدي طيفا واسعا من الوظائف لا حصر لها، وقد كشف الأطلس أن هناك مجموعات متمايزة من الجينات تعمل في كل واحدة من المناطق الرئيسة وتسهم بتسيير وظائفها الخاصة.
وقد ضمَّت صفوف المتبرعين بالأدمغة التي درسناها رجالا ونساء، شبابا ومسنين، بيضا وسودا وأشخاصا من أصول إسبانية. فقد كان دماغ بعضهم كبيرا؛ والبعض الآخر أصغر. وعلى الرغم من هذه الاختلافات، فقد كانت أنماط النشاط الجيني في الأدمغة الستة متسقة إلى درجة عالية. فخلال أكثر من 97% من الوقت الذي كنا نرى فيه جينا معينا وهو يقوم بتصنيع الكثير من الرنا في مقطع أحد الأدمغة، كان يحدث الشيء ذاته في غالبية مقاطع الأدمغة الأخرى.
لقد بدأنا بفحص مجموعات الجينات النشطة في الأجزاء المختلفة من الدماغ، فعلى سبيل المثال، قارنا الجينات التي أكثر ما تستعمل في الدماغ المتوسط القديم الذي يتشارك فيه البشر والزواحف بتلك الأكثر نشاطا في قشرة الدماغ. ومنذ زمن طويل يعرف أطباء الجهاز العصبي أن الخلايا في الأجزاء الأكثر بدائية من الدماغ (بنى مثل تحت المهاد والحصين والجسر الذي هو مسؤول عن تنظيم درجة حرارة الجسم والجوع والذاكرة المكانية والنوم) تتجمع ضمن نوى متمايزة تتصرف كل منها بشكل مختلف عن الأخرى. وقد وجدنا أن العديد من هذه النوى يشكل مقرا لمجموعات متمايزة من الجينات للتعبير عن نفسها. إضافة إلى ذلك، فإن هذه البنى الأساسية تضج في داخلها بنشاز(9) أصوات جينية تنطلق في وقت واحد.
أما القشرة فهي مختلفة من حيث البنية الخلوية والنشاط الجيني على حد سواء، حيث تتألف من نماذج خلوية كثيرة التنوع تترتب في وريقة من ست طبقات من المادة السنجابية. وقد نشأت القشرة وتطورت في الماضي القريب نسبيا ثم اتسعت عند البشر بنسبة أكبر بكثير منها عند الحيوانات الأخرى؛ والمادة السنجابية هي البنية المسؤولة عن التعقيد الفريد الذي يتسم به السلوك البشري وتتميز به شخصية الفرد. وقد كان تساؤلنا الطبيعي: هل ينشأ التعقيد الوظيفي في هذا القسم الأكثر إنسانية من الدماغ عن تباينات هائلة في التعبير الجيني فيما بين الأجزاء المختلفة من الدماغ؟ لقد قَسّم <برودمان> القشرة إلى العشرات من الحزم الواضحة المعالم، على أية حال، وكنا نتوقع أن اختلاف الأدوار التي تؤديها هذه الحزم في السلوك البشري يأتي من تباين المجموعات الجينية الملائمة التي يتم استخدامها.
ولكن الأطلس أوحى بأن الجواب هو النفي: فالنشاط الجيني في أي نوع من أنواع خلايا القشرة هو نشاط متجانس إلى حد مدهش ضمن المادة السنجابية، وعلى امتدادها من الجبهة إلى خلف الجمجمة.
لقد وجدنا أن كل نوع من أنواع الخلايا القشرية له توقيعه الجيني المتميز. ولكن الجغرافية الجينية لا تبدي سوى عدد قليل من الحدود الصارمة الجديرة بالملاحظة، علما بأن أبرز ما هو مستثنىً من هذه الحدود هو القشرة البصرية في الدماغ الخلفي المسؤولة عن معالجة المدخلات من العينين. والمخيخ الذي يقبع في قاعدة الدماغ كبنية أخرى توسعت حديثا عند البشر هو استثناء آخر، فهو بحر من التجانس.
فمن الصعب أن نصالح بين هذه النتائج وبين الفكرة المستوحاة من <برودمان> التي تقسّم القشرة بعناية إلى حزم تكرس نفسها لأداء وظائف معينة ويكون سلوكها محكوما بالجينات العاملة بداخلها. وإن الأطلس يدعم نظرية بديلة لها: تُعرِّفُ الجينات كل نموذج من نماذج الخلايا المختلفة، إضافة إلى المخطط الأساسي لعمود قشري صغير تترتب فيه الخلايا من تلك النماذج المختلفة من سطح الدماغ إلى قاع القشرة على نحو معرف مسبقا، علما بأن القشرة ككل تشمل نسخا كثيرة من ذلك العمود المعرف. أما كيف تتصرف القشرة بصورة عامة، فيبدو أن تصرفها يعتمد على نوعية سبل الترابط فيما بين النورونات ضمن الدارات العصبية(10) - وعلى تاريخ المنبهات التي تتلقاها تلك الدارات - أكثر بكثير من اعتماده على انزياحات النشاط الجيني من إحدى مناطق <برودمان> إلى الأخرى.
أكثر شبها بالقرود(******)
وعندما قارنا نحو 1000 جين نشيط في قشرة الفأر وقشرة الإنسان، أصابتنا الدهشة إثر اكتشافنا أن نحو ثلث هذه الجينات يتم التعبير عنه عند النوعين بشكل مختلف تماما. فعلى سبيل المثال، بعض الجينات يبقى صامتاً عند أحد النوعين دون الآخر، فيما العديد من الجينات الأخرى يتم استعماله بمعدلات متفاوتة جدا.
إن درجة التشابه بين الفأر والإنسان مهمة لأن التجارب العصبية وتجارب الأدوية تُجرى كلها تقريبا على الفئران أولا. فالقوارض رخيصة التكلفة وتنمو بسرعة ويسهل ضبطها وفحصها. بيد أن العلاجات التي تنجح في الفئران نادرا ما تترجم مباشرة إلى معالجة فعالة عند البشر. وقد يسهم اكتشاف التغاير في التعبير الجيني بين النوعين في توضيح السبب.
وفي مقارنة لافتة، أوحت البيانات التي حللناها حتى الآن على قرود الريسيوس بأن أقل من 5% من الجينات يتم التعبير عنها في أدمغتها على نحو مختلف جدا مما يحدث لدينا. وعملنا الجماعي على أطلس دماغ القرود ما زال جاريا، ومن ثم قد يتغير الرقم كلما جمعنا بيانات أكثر. ومع ذلك، فما تم رصده من تشابه جوهري في النشاط الجيني بين أدمغة القرود والإنسان يدل ثانية على أن نمط الترابط بين نورونات (عصبونات)(11) أدمغتنا هو المصدر المحتمل لتميزنا كنوع، وليس النشاط الجيني ضمن الخلايا. إضافة إلى ذلك، فقد بات واضحا أنه علينا تزويد الباحثين والشركات الصيدلانية بمعلومات أكثر تفصيلا حول دماغ الإنسان لمساعدتهم على تمييز الأهداف الدوائية التي يمكن نمذجتها في الفئران عن تلك التي يتعين دراستها في حيوانات أوثق صلة قرابة بالبشر.
لقد استخدم أطلس دماغ الفأر منذ أن أصدرناه عام 2007 في أكثر من 1000 دراسة علمية. وفيما يتعلق بأطلس دماغ الإنسان الذي أتيح للعموم التعرف عليه مع أول دماغين في 2010، فإن الخطوات المنطقية القادمة ستتمثل بتحسين دقة الخريطة ومجالها. وقد تعلمنا أننا لن نفهم في النهاية الدور الذي يؤديه النشاط الجيني في وظيفة الدماغ حتى نقيس أنماط التعبير الجيني في كل خلية من خلايا الدماغ. غير أن القيام بذلك في عضو بحجم الدماغ البشري وتعقيده يشكل تحديا كبيرا حقا. لكن تقانات جديدة آخذة في الظهور ستسمح لاختصاصيي الوراثيات العصبية بقياس كميات الرنا المكود للبروتين في كل خلية. وستمكننا هذه الأدوات أيضا من كشف كافة القطع المنسوخة من الرنا الذي يمكن بدوره أن يوضح ما إذا كانت جزيئات الرنا التي لا تنتج البروتين - ما يسمى مادة الجينوم السوداء(12) - تؤدي أدوارا مهمة في الدماغ.
ولتيسير استخدام الأطلس على العلماء الباحثين في اضطرابات الدماغ، مثل التوحد وداء ألزهايمر وداء پاركنسون، فقد أتاح معهد ألين الاطلاعَ مجانا على بياناتنا على الإنترنت - إضافة إلى مستعرض بالتوجيه والنقر يسمى مستكشف الدماغ Brain Explorer. ونتمنى لهذه المحاولات الباكرة لفهم وظيفة دماغ الإنسان، من خلال خريطته الجينية، أن تمهد الطريق للآخرين للبناء عليها بطرق غير متوقعة حتى الآن.
الجغرافيا الجينية للدماغ
مراجع للاستزادة
المفضلات