یک کشف شگفت انگیز؛ وجود میلیون ها سیناپس خاموش در مغز انسان - مجله هدیه

دانشمندان MIT دریافته اند که در مغز بزرگسالان میلیون ها سیناپس خاموش وجود دارد. این سیناپس ها ارتباطات دهنده های رشد نیافته بین نورون های مغز هستند و تا زمانی که برای ایجاد خاطرات نو مورد احتیاج نباشند، فعال نخواهند بود.

در گذشته این باور وجود داشت که سیناپس های خاموش فقط در مراحل اولیه رشد وجود دارند و در اوایل زندگی به مغز برای یادگیری اطلاعات نو یاری می نمایند. با این حال مطالعه نو MIT بر روی موش های بالغ نشان داد که تقریبا 30٪ از تمام سیناپس های موجود در قشر مغز خاموش هستند.

به گفته محققان، وجود این سیناپس های خاموش می تواند توضیحی بر این باشد که چگونه مغز بزرگسالان قادر است به طور مدام خاطرات نو را شکل داده و چیز های نو بیاموزد، بدون اینکه احتیاج داشته باشد سیناپس های معمولی موجود را تغییر دهد.

دیمیترا واردالاکی، دانشجوی کارشناسی ارشد MIT و نویسنده اصلی این مطالعه نو می گوید: این سیناپس های خاموش در پی ارتباطات نو می گردند، و زمانی که اطلاعات مهم نوی به آن ها داده می گردد، ارتباطات بین نورون های مغزی مرتبط، تقویت می گردد. این به مغز اجازه می دهد تا بتواند خاطرات نو را خلق و ذخیره کند، بدون اینکه بخواهد این خاطرات نو را بر روی خاطرات مهم قبلی که در سیناپس های کامل قرار دارند، و تغییر آن ها سخت تر است، ذخیره کند.

مارک هارنت، نویسنده ارشد این مقاله و دانشیار علوم مغز و شناختی است. کوآنگون چونگ، نیز دانشیار مهندسی شیمی در MIT از دیگر نویسندگان این مقاله است. این مقاله به تازگی در مجله نیچر منتشر شده است.

یک کشف شگفت انگیز

زمانی که دانشمندان در یک دهه پیش، برای اولین بار سیناپس های خاموش را کشف کردند، آن ها را عمدتا در مغز موش های جوان و سایر حیوانات دیده بودند. باور همه بر این است که این سیناپس ها به مغز یاری می نماید تا حجم زیادی از اطلاعات را در خود نگه دارند. خصوصا نوزادان که احتیاج دارند تا در خصوص محیط اطراف خود و چگونگی تعامل با آن چیز های زیادی یاد بگیرند. بنظر می رسید که این سیناپس ها در موش ها تا 12 روز اول زندگی آن ها وجود دارند و سپس ناپدید می گردد. (12 روزگی در موش ها معادل چند ماه اول زندگی در انسان هاست.)

اگرچه برخی از دانشمندان علوم اعصاب بر این باور بودند که سیناپس های خاموش ممکن است تا بزرگسالی باقی بمانند و به شکل گیری خاطرات نو یاری نمایند. نمونه این امر در مدل های حیوانی اعتیاد دیده شده است، که تصور می گردد تا حد زیادی اختلال در یادگیری باشد.

کار تئوری ای که در این زمینه به وسیله استفانو فوسی و لاری آبوت از دانشگاه کلمبیا صورت گرفته است، مبنی بر این است که نورون ها باید با انعطاف پذیری، نقش های متفاوت گسترده ای را بازی نمایند تا نشان دهند که مغز چطور می تواند هم به طور موثری چیز های نو را یاد بگیرد و هم آن ها را در حافظه بلند مدت خود حفظ کند. با این تفاسیر برخی از سیناپس ها باید تکثیر و یا اصلاح شوند تا بتوانند خاطرات نو را شکل دهند، و برخی از آن ها باید پایدارتر باقی بمانند تا بتوانند خاطرات طولانی مدت را حفظ نمایند.

در این مطالعه نو، تیم MIT به طور خاص در پی سیناپس های خاموش نبودند. آن ها در حال پیگیری یک یافته جالب از مطالعات قبلی در آزمایشگاه هارنت بودند. در آن مقاله محققان نشان دادند که دندریت های درون یک نورون (دندریت در پیه آنتن مانندی گفته می گردد که از نورون ها بیرون زده اند) می توانند ورودی سیناپس ها را، با توجه به موقعیت قرارگیری شان، به روش های مختلف پردازش نمایند.

به عنوان بخشی از این مطالعه، محققان سعی کردند تا گیرنده های انتقال دهنده عصبی را در شاخه های دندریتیک مختلف مقدار گیری نمایند تا ببیند آیا این می تواند توضیحی برای تفاوت در رفتار آن ها باشد یا خیر. برای این کار آن ها از تکنیکی با نام eMAP (epitope-preserving Magnified Analysis of the Proteome) استفاده کردند که به وسیله چانگ ایجاد شده بود. محققان توانستند با استفاده از این تکنیک، بطور فیزیکی نمونه بافتی را ایجاد نموده و سپس پروتئین های خاصی را در این نمونه برچسب گذاری نمایند؛ و این امکان را ایجاد کردند تا عکس ها و تصاویری با وضوح بسیار بالا به دست آورند.

آن ها در حین انجام تصویربرداری به یک کشف شگفت انگیز دست یافتند. هارنت می گوید: اولین چیزی که فوق العاده عجیب بود و انتظارش را نداشتیم، این بود که فیلوپودیا ها همه جا وجود داشتند.

فیلوپودیا ها که برآمدگی های غشایی نازکی هستند که از دندریت ها امتداد می یابند، قبلا دیده شده بودند. اما دانشمندان علوم اعصاب نمی دانستند که آن ها دقیقا چه کاری انجام می دهند. علت این موضوع تا حدی به این خاطر است که فیلوپودیا ها آنقدر کوچک هستند که تماشا آن ها با استفاده از تکنیک های تصویربرداری قدیمی بسیار کار سختی بوده است.

پس از این مشاهدات، تیم MIT سعی کرد تا فیلوپودیا ها را در سایر بخش های مغز بزرگسالان بیابد. در کمال تعجب آن ها فیلوپودیا را در قشر بینایی موش ها و سایر بخش های مغز، و 10 برابر بیشتر از آنچه قبلا دیده بودند، پیدا کردند. بعلاوه آن ها دریافتند که فیلوپودیا ها دارای گیرنده های انتقال دهنده عصبی با نام گیرنده های NMDA هستند، اما گیرنده های AMPA ندارند.

یک سیناپس فعال معمولی دارای هر دو نوع گیرنده هایی است که انتقال دهنده های عصبی گلوتامات را به هم متصل می نماید. گیرنده های NMDA به طور معمول برای ارسال سیگنال به گیرنده های AMPA احتیاج دارند، زیرا گیرنده های NMDA به وسیله یون های منیزیم در حالت پتانسیل استراحت طبیعی نورون ها مسدود می شوند؛ بنابراین زمانی که گیرنده های AMPA حضور ندارند، سیناپس هایی که فقط گیرنده NMDA دارند نمی توانند با جریان الکتریکی عبور نمایند و به این جهت عنوان خاموش را به آن ها می دهند.

شکسته شدن سکوت سیناپس ها

محققان برای آنالیز اینکه آیا این فیلوپودیا ها ممکن است سیناپس های خاموش باشند از نسخه اصلاح شده یک تکنیک آزمایشی با نام patch clamping استفاده کردند. این کار به آن ها اجازه داد تا فعالیت الکتریکی فراوری شده در فیلوپودیا های منفرد را نظاره نمایند؛ و این در حالی بود که آن ها کوشش می کردند تا با تقلید از آزاد شدن انتقال دهنده های عصبی گلوتامات از یک نورون در مجاورت خود، موجب تحریک آن ها شوند.

با استفاده از این تکنیک محققان دریافتند که گلوتامات هیچ سیگنال الکتریکی را در فیلوپودیوم دریافت نماینده ورودی فراوری نمی نماید، مگر اینکه گیرنده های NMDA به طور آزمایشی بسته نشده باشند. به گفته محققان، این تاییدی قوی بر این نظریه است که فیلوپودیا نشان دهنده سیناپس های خاموش در مغز هستند.

بعلاوه محققان نشان دادند که می توانند سکوت این سیناپس ها را با ترکیب گلوتامات آزاد شده با جریان الکتریکی که از بدنه یک نورون می آید، بشنمایند. این تحریک ترکیب شده منجر به تجمع گیرنده های AMPA در سیناپس خاموش می گردد و به آن اجازه می دهد تا ارتباطی قوی با آکسون مجاور خود که باعث رهاسازی گلوتامات می گردد ایجاد کند. محققان متوجه شدند که تبدیل سیناپس های خاموش به سیناپس های فعال بسیار ساده تر از تغییر سیناپس های بالغ است.

هارنت می گوید: اگر با سیناپسی که قبلا فعال شده آغاز به کار کنید، پروتکل انعطاف پذیری کار نخواهد کرد. سیناپس ها در مغز بزرگسالان دامنه بیشتری دارند، و احتمالا به این علت است که شما می خواهید آن خاطرات کاملا قابلیت بازیابی داشته باشند، و نمی خواهید آن ها دائما بازنویسی شوند. از سوی دیگر، فیلوپودیا را می توان برای شکل دادن به خاطرات نو به کار گرفت.

انعطاف پذیر و قوی

محققان می گویند: این یافته ها، نظریات ارائه شده به وسیله ابوت و فوسی را تایید می نماید. آن ها باور داشتند که مغز بزرگسالان شامل سیناپس های پلاستیسیته هستند که می توانند در ایجاد خاطرات نو به کار گرفته شوند. هارنت می گوید: تا جایی که من می دانم در این مقاله ارائه شده، اولین شواهد واقعی وجود دارند که نشان می دهند مغز پستانداران چگونه کار می نماید. فیلوپودیا به سیستم حافظه اجازه می دهد تا هم منعطف باشد و هم قوی. شما به انعطاف احتیاج دارید تا اطلاعات نو کسب کنید و به ثبات احتیاج دارید تا اطلاعات مهم را حفظ کنید.

در حال حاضر محققان در پی شواهدی از این سیناپس های خاموش در بافت مغز انسان می گردند. بعلاوه امیدوارند که این تحقیقات تعیین کند که آیا تعداد یا عملکرد این سیناپس ها تحت تاثیر عواملی نظیر پیری یا بیماری های عصبی قرار می گیرد یا خیر.

هارنت می گوید: این امکان کاملا وجود دارد که با تغییر اندازه انعطاف پذیری که شما در سیستم حافظه خود دارید، تغییر رفتار ها و عادت ها یا ترکیب اطلاعات نو بسیار سخت تر گردد. بعلاوه می توانید تصور کنید که با پیدا کردن برخی از عاملان مولکولی که در فیلوپودیا دخیل هستند و دستکاری برخی از چیزها، بتوانید با افزایش سن حافظه انعطاف پذیر را بازگردانید.