العام في علم الأحياء

ذكرياتنا هي حجر الزاوية في هويتنا. وتشكل أهميتها جزءًا كبيرًا مما يجعل مرض الزهايمر وأشكال الخرف الأخرى قاسية ومؤثرة للغاية. ولهذا السبب كنا نأمل بشدة في أن يتمكن العلم من تقديم علاج لمرض الزهايمر، ولماذا من المحبط والمأساوي للغاية أن تكون العلاجات المفيدة بطيئة في الظهور. وعلى هذا فقد أحاطت قدر كبير من الإثارة بالإعلان في شهر سبتمبر/أيلول عن نجاح عقار جديد، ليكانيماب، في إبطاء تطور المرض في التجارب السريرية. وإذا تمت الموافقة عليه من قبل إدارة الغذاء والدواء، فسوف يصبح ليكانيماب هو العلاج الثاني فقط لمرض الزهايمر الذي يتصدى لبروتين أميلويد بيتا، والذي من المفترض على نطاق واسع أنه سبب المرض. 

ومع ذلك، فإن تأثيرات عقار ليكانيماب هامشية للغاية، لدرجة أن الباحثين يناقشون ما إذا كان الدواء سيحدث فرقًا عمليًا بالنسبة للمرضى. إن حقيقة أن الليكانيماب يبرز كنقطة مضيئة تشير إلى مدى كآبة تاريخ الأبحاث حول علاجات مرض الزهايمر. وفي الوقت نفسه، فإن الفهم الأعمق للبيولوجيا المؤثرة يغذي الاهتمام بالنظريات البديلة الرائدة حول أسباب المرض.

إن التكهنات حول كيفية عمل الذاكرة قديمة قدم أفلاطون، الذي كتب في أحد حواراته السقراطية عن "هبة الذاكرة، أم ربات الإلهام"، وقارن عملها بختم الشمع في الروح. يمكننا أن نكون ممتنين لأن العلم قد تحسن بشكل كبير في فهمنا للذاكرة منذ زمن أفلاطون - مع الطوابع الشمعية، مع "الإنجرام" للتغيرات في الخلايا العصبية لدينا. في العام الماضي وحده، قطع الباحثون خطوات مثيرة نحو معرفة كيف وأين توجد جوانب مختلفة من ذكرياتنا في الدماغ. والأكثر إثارة للدهشة أنهم وجدوا آليات كيميائية حيوية تميز الذكريات الجيدة عن الذكريات السيئة.

ولأننا مخلوقات لها أدمغة، فإننا غالبًا ما نفكر في الذاكرة من منظور عصبي بحت. ومع ذلك، يشير العمل الذي نشره باحثون في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في أوائل عام 2022 إلى أنه حتى الخلايا الفردية في الأنسجة النامية قد تحمل بعض السجلات عن تاريخ سلالاتها. يبدو أن هذه الخلايا الجذعية تعتمد على تلك المعلومات المخزنة عندما تواجه قرارات حول كيفية التخصص في الاستجابة للإشارات الكيميائية. كما كشف التقدم في علم الأحياء خلال العام الماضي عن العديد من المفاجآت الأخرى، بما في ذلك نظرة ثاقبة حول كيفية تكيف الدماغ مع نقص الغذاء الممتد وكيف تتبع الخلايا المهاجرة مسارًا عبر الجسم. من المفيد أن نلقي نظرة على بعض أفضل تلك الأعمال قبل أن تمنحنا اكتشافات العام المقبل منظورًا جديدًا لأنفسنا مرة أخرى.

كان العديد من الأشخاص المرتبطين بمرض الزهايمر، سواء من خلال الأبحاث أو من خلال العلاقات الشخصية مع المرضى، يأملون أن يكون عام 2022 عامًا رائعًا. سوف تكشف التجارب السريرية الكبرى أخيراً ما إذا كان هناك دواءان جديدان يعالجان السبب الجذري للمرض. وكانت النتائج للأسف أقل من التوقعات. أظهر أحد الأدوية، وهو lecanemab، إمكانية إبطاء التدهور المعرفي لدى بعض المرضى بشكل طفيف، ولكنه كان مرتبطًا أيضًا بآثار جانبية مميتة في بعض الأحيان؛ أما الآخر، وهو gantenerumab، فقد اعتبر فشلا ذريعا. 

وتختتم هذه النتائج المخيبة للآمال ثلاثة عقود من الأبحاث التي تعتمد بشكل كبير على النظرية القائلة بأن مرض الزهايمر ينجم عن لويحات من بروتينات الأميلويد التي تتراكم بين خلايا الدماغ وتقتلها. ومع ذلك، تشير الأدلة المتزايدة إلى أن الأميلويد ليس سوى مكون واحد في أ عملية مرضية أكثر تعقيدًا الذي ينطوي على التهابات ضارة وأعطال في كيفية إعادة تدوير الخلايا لبروتيناتها. كانت معظم هذه الأفكار موجودة منذ ظهور فرضية الأميلويد، ولكنها بدأت للتو في تلقي الاهتمام الذي تستحقه.

في الواقع، بدأت مجموعات البروتينات حول الخلايا تبدو وكأنها ظاهرة عالمية تقريبا في الأنسجة المتقدمة في السن وليست حالة خاصة بالأميلويد ومرض الزهايمر، وفقًا لعمل باحثين من جامعة ستانفورد تم الإعلان عنه في طبعة أولية في الربيع الماضي. قد تكون هذه الملاحظة دليلاً آخر على أن تفاقم المشاكل المتعلقة بإدارة البروتين قد يكون نتيجة روتينية لشيخوخة الخلايا.

لقد فهم علماء الأعصاب منذ فترة طويلة الكثير عن كيفية تشكل الذكريات، من حيث المبدأ. لقد عرفوا أنه عندما يدرك الدماغ ويشعر ويفكر، فإن النشاط العصبي الذي يؤدي إلى تلك التجارب يقوي الروابط المتشابكة بين الخلايا العصبية المعنية. تصبح هذه التغييرات الدائمة في دوائرنا العصبية بمثابة سجلات مادية لذكرياتنا، مما يجعل من الممكن إعادة استحضار الأنماط الكهربائية لتجاربنا عند الحاجة إليها. ومع ذلك، فإن التفاصيل الدقيقة لهذه العملية كانت غامضة. وفي وقت مبكر من هذا العام، تغير ذلك عندما وصف الباحثون في جامعة جنوب كاليفورنيا تقنية تصور تلك التغييرات كما تحدث في الدماغ الحي، حيث اعتادوا مشاهدة سمكة تتعلم ربط الحرارة غير السارة بإشارة ضوئية. ولدهشتهم، في حين أن هذه العملية عززت بعض نقاط الاشتباك العصبي، إلا أنها حذفت نقاط أخرى. 

إن محتوى المعلومات في الذاكرة ليس سوى جزء مما يخزنه الدماغ. يتم أيضًا تشفير الذكريات باستخدام "التكافؤ" العاطفي التي تصنفها على أنها تجربة إيجابية أو سلبية. في الصيف الماضي، أفاد الباحثون أن مستويات جزيء واحد تطلقه الخلايا العصبية، يسمى نيوروتنسين، يبدو أنها تعمل كعلامات لهذا التصنيف. 

بدأت الحياة على الأرض مع أول ظهور للخلايا منذ حوالي 3.8 مليار سنة. لكن من المفارقة أنه قبل وجود الخلايا، لا بد أنه كانت هناك مجموعات من الجزيئات تقوم بأشياء تشبه الحياة بشكل مدهش. على مدى العقد الماضي، أجرى الباحثون في اليابان تجارب على جزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA) لمعرفة ما إذا كان يمكن لنوع واحد من الجزيء المتضاعف أن يتطور إلى حشد من المتضاعفات المختلفة، كما افترض الباحثون في أصل الحياة أنه يجب أن يكون قد حدث في الطبيعة. وجد العلماء اليابانيون أن هذا التنويع قد حدث بالفعل، حيث تطورت جزيئات مختلفة معًا لتشكل مضيفات وطفيليات متنافسة ارتفعت وسقطت في الهيمنة. في شهر مارس الماضي، أعلن العلماء عن تطور جديد: بدأت الجزيئات المتنوعة تعمل معًا في جسم واحد نظام بيئي أكثر استقرارا. ويشير عملهم إلى أن الـ RNA والجزيئات الأخرى في عالم ما قبل الحيوية يمكن أن تتطور بالمثل لتضع أسس الحياة الخلوية.

غالبًا ما يتم التعامل مع التكاثر الذاتي كخطوة أولى أساسية في أي فرضية حول أصل الحياة، ولكن ليس من الضروري أن يكون كذلك. هذا العام، واصل نيك لين وغيره من علماء الأحياء التطورية العثور على دليل على أنه قبل وجود الخلايا، أنظمة "الاستقلاب الأولي" من المحتمل أن تكون هذه التفاعلات التي تنطوي على مجموعات معقدة من التفاعلات النشطة قد نشأت في المواد المسامية بالقرب من الفتحات الحرارية المائية.

كيف تنمو بويضة واحدة مخصبة لتصبح جسمًا بشريًا بالغًا يضم ما يزيد عن 30 تريليون خلية في أكثر من 200 فئة متخصصة؟ إنه سر التطور الجوهري. خلال معظم القرن الماضي، كان التفسير السائد هو أن التدرجات الكيميائية الموجودة في أجزاء مختلفة من الجسم النامي توجه الخلايا إلى حيث تحتاجها وتخبرها بكيفية التمايز إلى مكونات الجلد والعضلات والعظام والدماغ وغيرها. الأعضاء. 

ولكن يبدو أن المواد الكيميائية الآن ليست سوى جزء من الحل. تشير الأبحاث الحديثة إلى أنه على الرغم من أن الخلايا تستخدم أدلة التدرج الكيميائي لتوجيه تنقلاتها، إلا أنها تتبعها أيضًا أنماط التوتر الجسدي في الأنسجة المحيطة بهم، مثل المشاة على حبل مشدود يعبرون سلكًا مشدودًا. التوتر الجسدي يفعل أكثر من مجرد إخبار الخلايا إلى أين تذهب. وأظهرت أبحاث أخرى نُشرت في شهر مايو أن القوى الميكانيكية داخل الجنين تساعد أيضًا في حث مجموعات من الخلايا على القيام بذلك تصبح هياكل محددة، مثل الريش بدلاً من الجلد.

وفي الوقت نفسه، حقق علماء الأحياء الاصطناعية - الباحثون الذين يتبعون نهجًا هندسيًا في دراسة الحياة - تقدمًا مهمًا في فهم أنواع الخوارزميات الجينية التي تتحكم في كيفية تمايز الخلايا استجابةً للإشارات الكيميائية. أظهر فريق من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا شبكة اصطناعية من الجينات يمكنها تحويل الخلايا الجذعية بشكل ثابت إلى عدد من أنواع الخلايا الأكثر تخصصًا. لم يحددوا بعد ما هو نظام التحكم الجيني الطبيعي في الخلايا، لكن نجاح نموذجهم يثبت أنه مهما كان النظام الحقيقي، فمن المحتمل أنه لا يحتاج إلى أن يكون أكثر تعقيدًا.

الدماغ هو العضو الأكثر جوعًا للطاقة في الجسم، لذلك ربما ليس من المستغرب أن يبتكر التطور استراتيجية طارئة لمساعدة الأدمغة على التعامل مع فترات طويلة من نقص الغذاء. اكتشف الباحثون في جامعة إدنبره أنه عندما تضطر الفئران إلى البقاء على قيد الحياة على حصص غذائية قصيرة لأسابيع متتالية، تبدأ أدمغتها في العمل بما يعادل "وضع الطاقة المنخفضة. 

في هذه الحالة، تستخدم الخلايا العصبية في القشرة البصرية طاقة أقل بنسبة 30٪ تقريبًا في نقاط الاشتباك العصبي الخاصة بها. من وجهة نظر هندسية، يعد هذا حلاً أنيقًا لتمديد موارد الطاقة في الدماغ، ولكن هناك مشكلة. في الواقع، يقلل وضع الطاقة المنخفضة من دقة رؤية الحيوان عن طريق جعل إشارات عملية النظام البصري أقل دقة. 

كما أدت النظرة الهندسية للدماغ مؤخرًا إلى تحسين فهمنا لنظام حسي آخر: حاسة الشم. ويحاول الباحثون تحسين قدرة "الأنوف الاصطناعية" المحوسبة على التعرف على الروائح. تقطع الهياكل الكيميائية وحدها شوطا طويلا نحو تحديد الروائح التي نربطها بالجزيئات المختلفة. لكن العمل الجديد يشير إلى أن عمليات التمثيل الغذائي التي تخلق الجزيئات في الطبيعة تعكس أيضًا إحساسنا برائحة الجزيئات. اقتربت الشبكات العصبية التي تضمنت المعلومات الأيضية في تحليلاتها بشكل كبير من تصنيف الروائح بالطريقة التي يفعلها البشر.

لا يزال الدماغ البشري الحي أمرًا صعبًا إلى حد الجنون بالنسبة لعلماء الأعصاب لدراسته: فالجمجمة تعيق وجهة نظرهم، والاعتبارات الأخلاقية تستبعد العديد من التجارب التي يحتمل أن تكون مفيدة. ولهذا السبب بدأ الباحثون في زراعة أنسجة دماغية معزولة في المختبر والسماح لها بتكوين "عضويات" ذات أوجه تشابه فيزيائية وكهربائية مع الأدمغة الحقيقية. وفي هذا العام، أظهر عالم الأعصاب سيرجيو باشا وزملاؤه إلى أي مدى تصل أوجه التشابه هذه من خلال زرعها عضويات الدماغ البشري في فئران المختبر حديثي الولادة. اندمجت الخلايا البشرية في الدوائر العصبية للحيوان ولعبت دورًا في حاسة الشم. علاوة على ذلك، بدت الخلايا العصبية المزروعة أكثر صحة من تلك التي تنمو في العضويات المعزولة، وهو ما يشير إلى ذلك، كما أشار باشا مقابلة مع كوانتا، أهمية تزويد الخلايا العصبية بالمدخلات والمخرجات. ويشير هذا العمل إلى الطريق نحو تطوير نماذج تجريبية أفضل للأدمغة البشرية في المستقبل.