درک ساختار مغز انسان از طریق تحلیل الگوهای هماهنگ فعالیت ژن‌ ها

پژوهشگری به نام دکتر مایکل اولدهام با بهره‌گیری از تحلیل شبکه‌های هم‌بیان‌سازی ژن‌ها، دریچه‌ای نو به ساختار مغز انسان و درمان تومورهای مغزی گلیوما گشوده است.

به گزارش تک‌ناک، دکتر مایکل سی. اولدهام، استاد دانشگاه UCSF و از پیشگامان عصب‌پژوهی محاسباتی، راهی متفاوت را در زندگی پیموده است. او که زمانی در دنیای تبلیغات فعالیت می‌کرد، امروز با بهره‌گیری از روش‌های نوین ژنتیکی، به کشف رازهای مغز انسان مشغول است.

هم‌بیان‌سازی ژن (gene coexpression) اصطلاحی است که در زمینه‌های زیست‌فناوری و ژنومیک استفاده می‌شود و به زبان ساده به معنای الگوهای هماهنگ فعالیت ژن‌ها است.

اولدهام در گفت‌وگوی اختصاصی با مجله Brain Medicine، از مسیر غیرمنتظره‌ خود، چالش‌های علمی و دستاوردهایی می‌گوید که نگاه ما را به ساختار مغز انسان دگرگون می‌کنند.

ورود غیرمنتظره به علوم اعصاب

مسیر دکتر مایکل اولدهام به دنیای علوم اعصاب بسیار دور از انتظار بود. او که در ۲۰ سالگی با تمرکز بر پزشکی از دانشگاه دوک فارغ‌التحصیل شد، به‌ دلیل نداشتن علاقه ذاتی به درمان بیماران، از ادامه مسیر پزشکی صرف‌نظر کرد. در دوران شکوفایی اینترنت، وارد صنعت تبلیغات در سان‌فرانسیسکو شد؛ اما علاقه عمیق او به زبان و تکامل ذهن انسان، او را دوباره به دانشگاه بازگرداند.

دکتر اولدهام در این باره گفت: «تغییرات ژنتیکی که به پیدایش مغز امروزی انسانی انجامیدند، اساس زندگی امروز ما هستند.»

این صحبت بنیادین، او را به سمت دکترای عصب‌پژوهی در UCLA سوق داد؛ جایی که کشفیات او به‌سرعت تبدیل به نقطه‌عطفی در پژوهش‌های مغز شدند.

نگاهی تازه به ساختار پیچیده مغز انسان

اولدهام در همکاری با دکتر دن گشویند و دکتر استیو هوروات، نخستین تحلیل سراسری هم‌بستگی رونویسی ژن‌ها را در مغز انسان انجام داد. در جریان این پژوهش، او متوجه شد که الگوهای تکرارشونده فعالیت ژن‌ها، نمایانگر امضاهای ترانسکریپتومی سلول‌های مغزی هستند.

این یافته کلیدی که در مجله Nature Neuroscience در سال ۲۰۰۸ منتشر شد، نشان داد تحلیل هم‌بیان‌سازی ژن‌ها می‌تواند بهترین نشانگرهای سلول‌ها و حالات آنها را شناسایی کند و این اصل هنوز بنیان پژوهش‌های آزمایشگاه اولدهام در UCSF را تشکیل می‌دهد.

ابزاری نوین برای کشف نظم در آشوب مغزی

روش ابداعی دکتر اولدهام با عنوان WGCNA، به‌ سرعت به ابزاری کلیدی در پژوهش‌های ژنومی تبدیل شد. برخلاف روش‌های کلاسیک که بر تفاوت تک‌ژن‌ها تمرکز دارند، WGCNA به‌ دنبال الگوهای هماهنگ فعالیت ژن‌ها در مقیاس سیستم‌های زیستی است. این روش برای تحلیل مغز قدرت بی‌نظیری دارد، که متشکل از سلول‌های متعدد و تعاملات پیچیده آنها است.

از تکامل مغز تا تومورهای بدخیم

پژوهش‌های ابتدایی دکتر اولدهام بر تفاوت‌های فعالیت ژن میان مغز انسان و سایر پستانداران تمرکز داشت. نتایج این مطالعات، تغییرات عملکردی مهمی را در سلول‌های رادیو گلیا (Nature 2014)، اینترنورون‌ها (Cerebral Cortex 2018) و آستروسیت‌ها (Nature Neuroscience 2018) نشان داد.

در سال‌های اخیر، تمرکز او به یکی از چالش‌برانگیزترین بیماری‌ها در پزشکی معطوف شده، که تومور مغزی گلیومای بدخیم است. او در مرکز تومور مغزی UCSF، تحلیل‌های محاسباتی خود را برای مطالعه این سرطان مغزی پیچیده به‌کار می‌گیرد.

گنجینه‌ای از داده‌های ژنومی مغز انسان

تیم دکتر اولدهام بیش از ۱۷ هزار نمونه بافت مغزی انسان (حدود ۱۰ هزار نمونه سالم و ۷ هزار نمونه گلیوما) را تحلیل کرده‌اند. نتیجه این پروژه عظیم، توسعه‌ پلتفرمی به نام OMICON است، که مجموعه‌ای با بیش از ۱۰۰ هزار ماژول هم‌بیان‌سازی ژنی را در بردارد.

این منبع عظیم، به کمک تحلیل‌های غنی‌سازی (enrichment analysis) و اتصال به هزاران مجموعه ژنی استاندارد، امکان دسترسی پژوهشگران به الگوهای فعالیت ژن‌ها را در ساختار مغز سالم و بیمار انسان فراهم می‌کند.

نشانی‌های مولکولی برای درمان هدفمند گلیوما

با مقایسه‌ فعالیت ژن‌ها در مغز سالم و مغز گلیوما، دکتر اولدهام و همکاران او توانسته‌اند تغییرات مولکولی تکرارشونده‌ای را از جمله در سلول‌های عروقی و نورون‌ها در ریزمحیط گلیوما در سلول‌های خاص شناسایی کنند. این تغییرات، امکان توسعه نشانگرهای زیستی جدید و درمان‌های هدفمند برای بیماران مبتلا به گلیوما را فراهم می‌کنند.

برای مثال، نشانگرهای سطحی سلول‌های عروقی تومور می‌توانند به‌ عنوان یک «آدرس زیستی» برای هدف‌گیری دارویی تومورها از طریق جریان خون استفاده شوند.

دکتر اولدهام، به‌ عنوان نایب‌رئیس کمیته کتابخانه و ارتباطات علمی در دانشگاه UCSF، مسئولیت هدایت یک گروه ویژه را بر عهده دارد، که هدف آن یکسان‌سازی روش‌های ثبت و نگهداری داده‌های پژوهشی است.

این استانداردها باعث می‌شوند که دیگر پژوهشگران بتوانند نتایج تحقیقات را دوباره بررسی و تأیید کنند. همچنین این کار به هوش مصنوعی کمک می‌کند تا داده‌های زیستی را بهتر و دقیق‌تر تحلیل کند.

نگاه به آینده با درک ساختار مغز انسان

دکتر اولدهام معتقد است که آینده علوم اعصاب به ترکیب لایه‌های مختلف داده و استفاده از ابزارهای خودکار و رباتیک برای استانداردسازی آنها وابسته است. او بیان کرد که دانشمندان باید نگاه خود را تغییر دهند و به‌جای فقط توصیف داده‌ها، باید بتوانند با کمک مدل‌های آماری، داده‌های جدید را پیش‌بینی کنند.

به‌ گفته او، تحلیل‌هایی که فقط داستان‌گونه، داده‌ها را شرح می‌دهند کافی نیستند؛ ما باید به سمت تحلیل‌هایی برویم که بر پایه مدل‌های دقیق و قابل پیش‌بینی ساخته شده‌اند.

چهره انسانی پشت داده‌ها

دکتر اولدهام در این گفت‌وگو از بخش‌هایی از زندگی شخصی‌ خود هم گفت. یکی از تصمیم‌های مهم او این بود که دو سال بیشتر از معمول در دوره دکترا بماند. این تصمیم جسورانه باعث شد مقاله‌ای قوی‌تر منتشر کند و در نهایت به‌ عنوان عضو هیئت علمی Sandler در دانشگاه UCSF انتخاب شود، که موقعیتی ویژه بود و به او آزادی عمل و بودجه لازم را برای راه‌اندازی آزمایشگاه خود داد.