سال زیست شناسی

خاطرات ما سنگ بنای هویت ما هستند. اهمیت آنها بخش بزرگی از چیزی است که بیماری آلزایمر و سایر اشکال زوال عقل را بسیار بی رحمانه و تکان دهنده می کند. به همین دلیل است که ما بسیار امیدوار بودیم که علم بتواند درمانی برای آلزایمر ارائه دهد، و چرا اینقدر ناامید کننده و غم انگیز است که درمان های مفید به کندی پیدا شده اند. بنابراین هیجان زیادی در ماه سپتامبر اعلام شد که یک داروی جدید، lecanemab، پیشرفت بیماری را در آزمایش‌های بالینی کند می‌کند. اگر توسط سازمان غذا و دارو تایید شود، lecanemab تنها دومین درمان آلزایمر خواهد بود که با پروتئین آمیلوئید-بتا، که به طور گسترده‌ای گمان می‌رود علت این بیماری باشد، مقابله می‌کند. 

با این حال، اثرات lecanemab به قدری حاشیه ای است که محققان در مورد اینکه آیا این دارو واقعاً تفاوت عملی برای بیماران ایجاد می کند یا خیر بحث می کنند. این واقعیت که lecanemab به عنوان یک نقطه روشن برجسته است، نشان می دهد که بسیاری از تاریخچه تحقیقات در مورد درمان های آلزایمر چقدر تلخ بوده است. در همین حال، درک عمیق‌تر از زیست‌شناسی در حال افزایش علاقه به نظریه‌های جایگزین پیشرو برای علت بیماری است.

حدس و گمان در مورد نحوه عملکرد حافظه حداقل به قدمت افلاطون است که در یکی از دیالوگ های سقراطی خود درباره "هدیه حافظه، مادر موسوم ها" نوشت و عملکرد آن را با مهر مومی در روح مقایسه کرد. ما می‌توانیم سپاسگزار باشیم که علم از زمان افلاطون تا کنون در درک ما از حافظه بسیار بهبود یافته است - با تمبرهای مومی، با "نگرام" تغییرات در نورون‌های ما. تنها در سال گذشته، محققان گام‌های هیجان‌انگیزی برای یادگیری نحوه و مکان‌های مغز جنبه‌های مختلف خاطرات ما برداشته‌اند. شگفت آورتر، آنها حتی مکانیسم های بیوشیمیایی را پیدا کرده اند که خاطرات خوب را از خاطرات بد متمایز می کند.

از آنجایی که ما موجوداتی با مغز هستیم، اغلب در مورد حافظه به صورت صرفاً عصب شناختی فکر می کنیم. با این حال، تحقیقاتی که در اوایل سال 2022 توسط محققان موسسه فناوری کالیفرنیا منتشر شد، نشان می‌دهد که حتی سلول‌های فردی در بافت‌های در حال رشد ممکن است سوابقی از تاریخ تبار خود را داشته باشند. به نظر می‌رسد این سلول‌های بنیادی زمانی که با تصمیم‌گیری در مورد چگونگی تخصص در پاسخ به نشانه‌های شیمیایی مواجه می‌شوند، بر آن اطلاعات ذخیره‌شده تکیه می‌کنند. پیشرفت‌های زیست‌شناسی در سال گذشته شگفتی‌های بسیاری دیگر را نیز آشکار کرد، از جمله بینش در مورد چگونگی سازگاری مغز با کمبود غذایی طولانی و اینکه سلول‌های مهاجر چگونه مسیری را در بدن دنبال می‌کنند. قبل از اینکه افشاگری های سال آینده دوباره دیدگاه جدیدی نسبت به خودمان به ما بدهد، ارزش آن را دارد که به برخی از بهترین آثار آن نگاه کنیم.

بسیاری از افرادی که به بیماری آلزایمر مرتبط بودند، چه از طریق تحقیق و چه از طریق روابط شخصی با بیماران، امیدوار بودند که سال 2022 یک سال پرچمدار باشد. کارآزمایی‌های بالینی بزرگ در نهایت نشان می‌دهند که آیا دو داروی جدید که علت اصلی بیماری را بررسی می‌کنند یا خیر. نتایج متأسفانه کمتر از انتظارات بود. یکی از داروها، lecanemab، پتانسیل کاهش اندکی زوال شناختی برخی از بیماران را نشان داد، اما همچنین با عوارض جانبی گاهی کشنده مرتبط بود. دیگری، gantenerumab، یک شکست آشکار در نظر گرفته شد. 

نتایج ناامیدکننده، سه دهه تحقیق را بر اساس این نظریه که بیماری آلزایمر توسط پلاک‌هایی از پروتئین‌های آمیلوئید ایجاد می‌شود، در بر می‌گیرد که بین سلول‌های مغز ساخته شده و آنها را از بین می‌برد. با این حال، شواهد رو به افزایش نشان می دهد که آمیلوئید تنها یک جزء در a است روند بیماری بسیار پیچیده تر است که شامل آسیب رساندن به التهاب و نقص در نحوه بازیافت پروتئین های سلولی است. بسیاری از این ایده‌ها به اندازه فرضیه آمیلوئید وجود داشته‌اند، اما تازه شروع به دریافت توجهی می‌کنند که شایسته آن است.

در واقع، تجمع پروتئین ها در اطراف سلول ها شروع به شبیه شدن به یک می کنند پدیده تقریباً جهانی بر اساس کار محققان دانشگاه استنفورد که در بهار گذشته در یک پیش چاپ اعلام شد، در بافت های پیر و شرایطی خاص برای بیماری آمیلوئید و آلزایمر نیست. این مشاهدات ممکن است مدرک دیگری باشد مبنی بر اینکه بدتر شدن مشکلات مدیریت پروتئین ممکن است پیامد معمول پیری سلول ها باشد.

دانشمندان علوم اعصاب مدتهاست که چیزهای زیادی در مورد چگونگی شکل گیری خاطرات - در اصل - درک کرده اند. آنها می دانستند که همانطور که مغز درک می کند، احساس می کند و فکر می کند، فعالیت عصبی که منجر به این تجربیات می شود، ارتباطات سیناپسی بین نورون های درگیر را تقویت می کند. این تغییرات پایدار در مدارهای عصبی ما به ثبت های فیزیکی خاطرات ما تبدیل می شوند و این امکان را فراهم می کنند که الگوهای الکتریکی تجربیات خود را در صورت نیاز دوباره برانگیزند. با این وجود، جزئیات دقیق آن فرآیند مبهم بوده است. در اوایل سال جاری، زمانی که محققان دانشگاه کالیفرنیای جنوبی تکنیکی را برای آن توصیف کردند، تغییر کرد تجسم آن تغییرات همانطور که در یک مغز زنده رخ می دهد، که آنها برای تماشای یک ماهی استفاده کردند که گرمای ناخوشایند را با یک نشانه نور مرتبط می کند. در کمال تعجب آنها، در حالی که این فرآیند برخی از سیناپس ها را تقویت کرد، برخی دیگر را حذف کرد. 

محتوای اطلاعاتی یک حافظه تنها بخشی از آن چیزی است که مغز ذخیره می کند. حافظه ها نیز با کد گذاری می شوند یک «ظرفیت» احساسی که آنها را به عنوان یک تجربه مثبت یا منفی دسته بندی می کند. تابستان گذشته، محققان گزارش دادند که سطوح یک مولکول منفرد آزاد شده توسط نورون‌ها، به نام نوروتنسین، به‌عنوان پرچم‌هایی برای این برچسب‌گذاری عمل می‌کند. 

زندگی روی زمین با اولین ظهور سلول ها در حدود 3.8 میلیارد سال پیش آغاز شد. اما به طرز متناقضی، قبل از اینکه سلول‌ها وجود داشته باشند، باید مجموعه‌ای از مولکول‌ها وجود داشته باشند که کارهای شگفت‌آوری واقعی انجام می‌دهند. در طول دهه گذشته، محققان ژاپنی آزمایش‌هایی را با مولکول‌های RNA انجام داده‌اند تا بدانند که آیا یک نوع مولکول تکثیر شونده می‌تواند به انبوهی از تکثیرگرهای مختلف تبدیل شود، همانطور که محققان در مورد منشا حیات تئوری می‌کنند که باید در طبیعت اتفاق افتاده باشد. دانشمندان ژاپنی دریافتند که این تنوع اتفاق افتاده است و مولکول‌های مختلف به صورت همزمان به میزبان‌ها و انگل‌های رقیب تبدیل می‌شوند که در تسلط بالا و پایین می‌روند. در ماه مارس گذشته، دانشمندان یک پیشرفت جدید را گزارش کردند: مولکول‌های متنوع با هم کار خود را آغاز کرده بودند اکوسیستم پایدارتر. کار آنها نشان می‌دهد که RNAها و سایر مولکول‌ها در دنیای پری بیوتیک نیز می‌توانند برای پی‌ریزی پایه‌های حیات سلولی تکامل یافته باشند.

خود تکراری اغلب به عنوان اولین گام اساسی در هر فرضیه منشأ حیات تلقی می شود، اما لزومی ندارد. در این سال، نیک لین و دیگر زیست شناسان تکاملی به یافتن شواهدی ادامه دادند که قبل از وجود سلول ها، سیستم های "پرتو متابولیسم" ممکن است شامل مجموعه های پیچیده ای از واکنش های پرانرژی در مواد متخلخل نزدیک دریچه های گرمابی باشد.

چگونه یک سلول تخمک بارور شده به یک بدن انسان بالغ با بیش از 30 تریلیون سلول در بیش از 200 دسته تخصصی رشد می کند؟ این راز اساسی توسعه است. در بسیاری از قرن گذشته، توضیح غالب این بوده است که گرادیان های شیمیایی ایجاد شده در بخش های مختلف بدن در حال رشد، سلول ها را به جایی که نیاز دارند هدایت می کند و به آنها می گوید که چگونه به اجزای تشکیل دهنده پوست، ماهیچه ها، استخوان ها، مغز و غیره متمایز شوند. اندام ها 

اما اکنون به نظر می رسد که مواد شیمیایی تنها بخشی از پاسخ باشد. کار اخیر نشان می دهد که در حالی که سلول ها از سرنخ های شیب شیمیایی برای هدایت ناوبری خود استفاده می کنند، آنها نیز از آنها پیروی می کنند. الگوهای تنش فیزیکی در بافت‌هایی که آنها را احاطه کرده‌اند، مانند طناب‌بازانی که از یک کابل کشیده عبور می‌کنند. تنش فیزیکی بیشتر از اینکه به سلول ها بگوید کجا بروند انجام می دهد. کار دیگری که در ماه می گزارش شد نشان داد که نیروهای مکانیکی درون جنین نیز به القای مجموعه‌ای از سلول‌ها کمک می‌کند به ساختارهای خاصی تبدیل شوندمانند پر به جای پوست.

در همین حال، زیست شناسان مصنوعی - محققانی که رویکردی مهندسی برای مطالعه زندگی دارند - در درک انواع الگوریتم های ژنتیکی که نحوه تمایز سلول ها در پاسخ به نشانه های شیمیایی را کنترل می کنند، پیشرفت مهمی کردند. یک تیم در Caltech نشان داد شبکه مصنوعی ژن ها که می تواند به طور پایدار سلول های بنیادی را به تعدادی از انواع سلول های تخصصی تر تبدیل کند. آنها مشخص نکرده اند که سیستم کنترل ژنتیکی طبیعی در سلول ها چیست، اما موفقیت مدل آنها ثابت می کند که سیستم واقعی هر چه باشد، احتمالاً نیازی به پیچیده تر بودن ندارد.

مغز پر انرژی ترین اندام بدن است، بنابراین شاید تعجب آور نباشد که تکامل یک استراتژی اضطراری برای کمک به مغز برای مقابله با دوره های طولانی کمبود غذا ابداع کرده است. محققان دانشگاه ادینبورگ کشف کردند که وقتی موش ها مجبورند هفته ها متوالی با جیره های کوتاه زنده بمانند، مغز آنها شروع به کار می کند. حالت "کم برق".. 

در این حالت، نورون‌های قشر بینایی تقریباً 30 درصد انرژی کمتری را در سیناپس‌های خود مصرف می‌کنند. از نقطه نظر مهندسی، این یک راه حل منظم برای افزایش منابع انرژی مغز است، اما یک نکته وجود دارد. در واقع، حالت کم مصرف با کاهش دقت سیگنال‌های فرآیند سیستم بینایی، وضوح دید حیوان را کاهش می‌دهد. 

یک دیدگاه مهندسی از مغز نیز اخیراً درک ما را از یک سیستم حسی دیگر بهبود بخشیده است: حس بویایی ما. محققان در تلاش برای بهبود توانایی "بینی‌های مصنوعی" کامپیوتری برای تشخیص بوها هستند. ساختارهای شیمیایی به تنهایی راه درازی را برای تعریف بوهایی که ما با مولکول‌های مختلف مرتبط می‌کنیم، پیش می‌برند. اما کار جدید نشان می دهد که فرآیندهای متابولیک که در طبیعت مولکول ایجاد می کنند، حس بویایی مولکول ها را نیز منعکس می کنند. شبکه‌های عصبی که اطلاعات متابولیک را در تجزیه و تحلیل‌های خود گنجانده بودند، به‌طور قابل‌توجهی به طبقه‌بندی بوها مانند انسان‌ها نزدیک‌تر شدند.

مطالعه مغز انسان زنده هنوز برای دانشمندان علوم اعصاب بسیار دشوار است: جمجمه دید آنها را مسدود می کند و ملاحظات اخلاقی بسیاری از آزمایش های بالقوه آموزنده را رد می کند. به همین دلیل است که محققان شروع به رشد بافت مغز جدا شده در آزمایشگاه کرده‌اند و به آن اجازه داده‌اند «ارگانوئیدهایی» با شباهت‌های فیزیکی و الکتریکی به مغزهای واقعی تشکیل دهند. امسال، سرگیو پسکا، عصب شناس و همکارانش با کاشت نشان دادند که این شباهت ها تا کجا پیش می رود. ارگانوئیدهای مغز انسان در موش های آزمایشگاهی تازه متولد شده سلول های انسانی خود را در مدار عصبی حیوان ادغام کردند و نقشی در حس بویایی آن به عهده گرفتند. علاوه بر این، نورون‌های پیوندی سالم‌تر از نورون‌هایی هستند که در ارگانوئیدهای جدا شده رشد می‌کنند، که نشان می‌دهد، همانطور که Paşca در مصاحبه با کوانتوم، اهمیت تامین نورون ها با ورودی و خروجی. این کار راه را برای توسعه مدل های آزمایشی بهتر برای مغز انسان در آینده نشان می دهد.