إن التحول من عدد قليل من الخلايا إلى كائن حي مكتمل النمو، مكتمل بأنسجة وأعضاء عاملة، هو عملية فوضوية ولكنها متزامنة للغاية تتطلب من الخلايا تنظيم نفسها بطرق دقيقة والبدء في العمل معًا. هذه العملية مثيرة بشكل خاص في القلب، حيث يجب أن تبدأ الخلايا المستريحة بالنبض في انسجام تام.الآن، قدم التعاون بين الحرم الجامعي بقيادة باحثين في كلية الطب بجامعة هارفارد وجامعة هارفارد نظرة على كيفية بدء خلايا القلب بالنبض بالضبط.
وفي دراسة أجريت على أسماك الزرد، وجد الفريق أنه مع زيادة مستويات الكالسيوم والإشارات الكهربائية، تبدأ خلايا القلب فجأة في النبض في وقت واحد. بالإضافة إلى ذلك، اكتشف الباحثون أن كل خلية قلب لديها القدرة على النبض بمفردها، دون الحاجة إلى جهاز تنظيم ضربات القلب، وأن نبض القلب يمكن أن يبدأ في أماكن مختلفة. وقد نشرت النتائج مؤخرا في مجلة الطبيعة.
قال المؤلف المشارك الأول، شون ميغاسون، أستاذ بيولوجيا الأنظمة في معهد بلافاتنيك بكلية الطب بجامعة هارفارد: "لقد أولى الناس الكثير من الاهتمام لنبض القلب لدرجة أنه كان محور البحث لفترة طويلة، ولكن هذه هي المرة الأولى التي نتمكن فيها من دراستها بعمق وبمثل هذه الدقة العالية".
بالنسبة لعلماء الأحياء الفضوليين، قد يكون فهم الآليات الأساسية لنبض القلب أمرًا مثيرًا للاهتمام في حد ذاته، ولكنه مهم أيضًا لفهم ما يحدث عندما لا يتطور نظام القلب الذي ينظم ضربات القلب بشكل صحيح أو يبدأ في الخلل.
وقال المؤلف المشارك الأول آدم كوهين، أستاذ الكيمياء والبيولوجيا الكيميائية والفيزياء في جامعة هارفارد: "في حياة الشخص، ينبض القلب حوالي 3 مليارات مرة ولا يتوقف أبدًا. أردنا أن نرى كيف تم تشغيل هذه الآلة المذهلة لأول مرة".
لم يكن الباحثون يحاولون دراسة كيفية بدء القلب بالنبض. وبدلاً من ذلك، كانوا يبحثون عن سؤال علمي يجمع بين خبرة مختبر كوهين في تصوير النشاط الكهربائي واهتمام مختبر ميجاسون بدراسة كيفية تعلم خلايا الزرد النامية التواصل والتعاون.
أبحاثهم تذهب مباشرة إلى القلب. أدرك الباحثون أنه على الرغم من آلاف السنين من دراسة القلب النامي، بدءًا من ملاحظات أرسطو للكتاكيت، فإن تفاصيل كيفية بدء خلايا القلب في النبض ظلت لغزًا يمكن حله.
"أردنا الإجابة على سؤال أساسي: كيف تنتقل خلايا القلب من الراحة إلى النبض؟" يشرح ميجاسون. "إن بدء القلب بالنبض هو حدث يحدث مرة واحدة في العمر، ولكن كيفية حدوثه ليس واضحًا."
كانت هذه دراسة استكشافية، لذلك لم يعرفوا ما الذي سيجدونه. وتكهنوا بأنه ربما بدأت بعض الخلايا في الضرب واتسعت منطقة الضرب ببطء؛ وربما بدأت أجزاء مختلفة من القلب تنبض بشكل مستقل ثم اندمجت في النهاية؛ ربما بدأ القلب ينبض بشكل ضعيف وأصبح أقوى تدريجياً مع مرور الوقت.
وكما تبين فإن الجواب ليس كذلك.
استخدم الباحثون بروتينات الفلورسنت والتصوير المجهري عالي السرعة لالتقاط التغيرات في محتوى الكالسيوم والنشاط الكهربائي في خلايا القلب لأجنة الزرد النامية. لقد فوجئوا عندما اكتشفوا أن جميع خلايا القلب انتقلت فجأة من حالة عدم النبض إلى حالة النبض - والتي تتميز بارتفاع متزامن في أيونات الكالسيوم والإشارات الكهربائية - وبدأت على الفور في النبض بشكل متزامن، كما لو أن شخصًا ما قد ضغط على المفتاح.
وأظهرت تجارب أخرى أنه مع كل نبضة قلب، تنشط منطقة واحدة من القلب أولاً، مما يؤدي إلى توليد تيار كهربائي يتدفق بسرعة عبر الخلايا الأخرى، مما يجعلها تحذو حذوها.
ومن المثير للاهتمام أن نبضات قلب أسماك الزرد المختلفة تبدأ في نقاط مختلفة، مما يشير إلى أن الخلايا التي تنشط أولاً ليست فريدة من نوعها. هذه النتيجة غير بديهية لأن الخلايا الموجودة في القلب البالغ تتصرف بشكل مختلف.
وقال المؤلف الأول بيل جيا، وهو طالب دراسات عليا مشترك في مختبرات كوهين وميجسون: "في القلب البالغ، هناك مجموعة مخصصة من خلايا تنظيم ضربات القلب التي تحرك ضربات القلب، في حين أن معظم الخلايا في القلب الجنيني لديها القدرة على الضرب من تلقاء نفسها، مما يجعل من الصعب التنبؤ بمكان الضربة الأولى".
نظرًا لأن خلايا القلب تبدأ في النبض في لحظة، فيجب عليها تطوير القدرة على النبض والإحساس بنبض الخلايا المجاورة قبل أول نبضة قلب لها. ويشبه ميجاسون ذلك بجيش يجب أن يبدأ في السير بشكل متزامن دون تدريب.
وأضاف جيا: "على القلب أولاً أن يتعلم كيفية مواكبة الوتيرة دون ساعة، وعلى الخلايا الفردية أن تتعلم أولاً التعاون دون الاتفاق على أدوارها. إن انتظام ضربات القلب أمر مهم للغاية، ولكن في بداية الحياة، تخرج نبضات القلب بسرعة من فوضى منظمة على ما يبدو".
توفر أسماك الزرد النامية نموذجًا مناسبًا لدراسة القلب، لأنها شفافة، وتنمو بسرعة، إذ يستغرق إنتاج نبض القلب 24 ساعة فقط، ويمكن تصويرها بأكثر من اثنتي عشرة كاميرا. ومع ذلك، يعتقد ميجاسون أن نفس العمليات التنموية قد تكون متسقة عبر الأنواع، بما في ذلك البشر.
وأشار فريق البحث إلى أن هذا الاكتشاف يفتح الباب لمزيد من الفهم لتطور نبضات القلب في الأنواع المختلفة، وقد يكشف يومًا ما عن كيفية حدوث عدم انتظام ضربات القلب مثل عدم انتظام ضربات القلب عند البشر. من خلال مراقبة تطور القلب، يمكننا أن نرى كيف يتم ترتيب آليات التحكم المختلفة، مما قد يخبرنا بما يحدث إذا تعطلت هذه الآليات.