کشف یک زبان پنهان در مغز

ایسنا/دانشمندان سرانجام می‌توانند آرام‌ترین پیام‌های مغز را بشنوند و بفهمند نورون‌ها چگونه تصمیم می‌گیرند و چه زمانی روشن می‌شوند.

پژوهشگران پروتئینی ساخته‌اند که می‌تواند سیگنال‌های شیمیایی بسیار ضعیفی را که نورون‌ها از دیگر سلول‌های مغزی دریافت می‌کنند، شناسایی کند. با ردیابی گلوتامات به ‌صورت در لحظه، دانشمندان اکنون می‌توانند ببینند نورون‌ها پیش از ارسال سیگنال به مراحل بعدی، اطلاعات ورودی را چگونه پردازش می‌کنند. این دستاورد لایه‌ای گمشده از ارتباطات مغزی را آشکار می‌کند که تا امروز نامرئی بوده است. این کشف می‌تواند شیوه مطالعه یادگیری، حافظه و بیماری‌های مغزی را به‌طور اساسی دگرگون کند.

به نقل از ساینس‌دیلی، دانشمندان پروتئینی را توسعه داده‌اند که می‌تواند پیام‌های شیمیایی‌ را که سلول‌های مغزی دریافت می‌کنند ثبت کند، نه فقط سیگنال‌هایی را که آن‌ها ارسال می‌کنند. این سیگنال‌های ورودی زمانی ایجاد می‌شوند که نورون‌ها گلوتامات آزاد می‌کنند که یک انتقال‌دهنده عصبی است که نقشی حیاتی در ارتباطات مغزی دارد. با وجود آن ‌که گلوتامات برای فرایندهایی مانند یادگیری و حافظه ضروری است، اندازه‌گیری فعالیت آن بسیار دشوار بوده، زیرا این سیگنال‌ها بسیار ضعیف هستند و در بازه‌های زمانی بسیار کوتاه رخ می‌دهند.

این ابزار جدید امکان شناسایی همین پیام‌های شیمیایی ظریف را درست در لحظه ورودشان فراهم می‌کند و به پژوهشگران اجازه می‌دهد به بخشی از ارتباطات مغزی دسترسی پیدا کنند که مدت‌ها پنهان مانده بود.

چرا این کشف اهمیت دارد؟

توانایی مشاهده سیگنال‌های ورودی به دانشمندان اجازه می‌دهد بررسی کنند نورون‌ها چگونه اطلاعات را پردازش می‌کنند. هر سلول مغزی هزاران ورودی دریافت می‌کند و نحوه ترکیب این سیگنال‌ها تعیین می‌کند آیا نورون خروجی تولید می‌کند یا خیر. تصور می‌شود این فرایند زیربنای تصمیم‌گیری‌ها، افکار و خاطرات باشد و مطالعه مستقیم آن می‌تواند توضیح دهد مغز چگونه محاسبات پیچیده انجام می‌دهد.

این پیشرفت همچنین مسیرهای تازه‌ای را برای پژوهش درباره بیماری‌ها باز می‌کند. اختلال در سیگنال‌دهی گلوتامات با بیماری‌هایی مانند آلزایمر، اسکیزوفرنی، اوتیسم، صرع و دیگر اختلالات عصبی مرتبط دانسته شده است. با اندازه‌گیری دقیق‌تر این سیگنال‌ها، پژوهشگران ممکن است بتوانند ریشه‌های زیستی این بیماری‌ها را شناسایی کنند.

توسعه دارو نیز می‌تواند از این دستاورد بهره‌مند شود. شرکت‌های داروسازی می‌توانند از این حسگرها برای مشاهده تاثیر درمان‌های آزمایشی بر فعالیت واقعی سیناپس‌ها استفاده کنند؛ کاری که می‌تواند روند یافتن درمان‌های مؤثرتر را سرعت ببخشد.

معرفی یک حسگر قدرتمند گلوتامات

این پروتئین توسط پژوهشگران مؤسسه آلن و پردیس پژوهشی جنلیا وابسته به مؤسسه پزشکی هاوارد هیوز (HHMI) مهندسی شده است. این ابزار که با نام «گلو اسنیفر» (iGluSnFR4) شناخته می‌شود، به‌عنوان یک «نشانگر مولکولی گلوتامات» عمل می‌کند. حساسیت بالای آن باعث می‌شود حتی ضعیف‌ترین سیگنال‌های ورودی که میان نورون‌ها ردوبدل می‌شوند نیز قابل شناسایی باشند.

«گلو اسنیفر» با نشان‌دادن این‌که گلوتامات چه زمانی و در کجا آزاد می‌شود، راهی تازه برای تفسیر الگوهای پیچیده فعالیت مغزی فراهم می‌کند؛ الگوهایی که از یادگیری، حافظه و احساسات پشتیبانی می‌کنند. این ابزار به دانشمندان امکان می‌دهد ارتباط نورون‌ها را درون مغز، به‌صورت در لحظه مشاهده کنند. نتایج این پژوهش به تازگی منتشر شده و می‌تواند شیوه اندازه‌گیری و تحلیل فعالیت عصبی در علوم اعصاب را به‌طور چشمگیری تغییر دهد.

سلول‌های مغزی چگونه با هم ارتباط برقرار می‌کنند؟

برای درک تاثیر این پیشرفت، نگاهی به نحوه تعامل نورون‌ها مفید است. مغز شامل میلیاردها نورون است که از طریق ارسال سیگنال‌های الکتریکی در امتداد ساختارهای شاخه‌مانندی به نام آکسون با هم ارتباط برقرار می‌کنند. هنگامی که یک سیگنال الکتریکی به انتهای آکسون می‌رسد، نمی‌تواند از شکاف کوچکی که میان دو نورون وجود دارد که به آن سیناپس گفته می‌شود، عبور کند.

در عوض، این سیگنال باعث آزاد شدن انتقال‌دهنده‌های عصبی در سیناپس می‌شود. گلوتامات رایج‌ترین نوع از این پیام‌رسان‌های شیمیایی است و نقشی کلیدی در حافظه، یادگیری و احساسات دارد. وقتی گلوتامات به نورون بعدی می‌رسد، می‌تواند باعث روشن شدن آن سلول شود و زنجیره ارتباط ادامه یابد.

می‌توان این فرایند را به افتادن دومینوها تشبیه کرد، اما در واقع بسیار پیچیده‌تر است. هر نورون از هزاران نورون دیگر ورودی دریافت می‌کند و تنها ترکیب‌ها و الگوهای خاصی از فعالیت باعث روشن شدن نورون گیرنده می‌شود. با این حسگر پروتئینی جدید، دانشمندان اکنون می‌توانند تشخیص دهند کدام الگوهای فعالیت ورودی به این پاسخ منجر می‌شوند.

تا پیش از این، مشاهده این سیگنال‌های ورودی در بافت زنده مغز تقریبا غیرممکن بود. فناوری‌های قبلی یا بیش از حد کند بودند یا حساسیت لازم را برای اندازه‌گیری فعالیت در سطح سیناپس‌های منفرد نداشتند. در نتیجه، پژوهشگران تنها بخش‌هایی از فرایند ارتباط را می‌دیدند، نه کل تبادل اطلاعات. این رویکرد جدید به آن‌ها اجازه می‌دهد گفت‌وگوی کامل را ثبت کنند.

پیش از در دسترس بودن حسگرهای پروتئینی‌ مانند «گلو اسنیفر»، پژوهشگران فقط می‌توانستند سیگنال‌های خروجی نورون‌ها را اندازه‌گیری کنند. این موضوع شکاف بزرگی در فهم ایجاد می‌کرد، زیرا سیگنال‌های ورودی بسیار سریع و بسیار ضعیف بودند و قابل تشخیص نبودند.

پنجره‌ای تازه به عملکرد مغز

این کشف یکی از محدودیت‌های بزرگ علوم اعصاب مدرن را برطرف می‌کند و امکان مشاهده مستقیم نحوه دریافت اطلاعات توسط نورون‌ها را فراهم می‌سازد. اکنون که «گلو اسنیفر» در اختیار پژوهشگران قرار گرفته است، دانشمندان ابزار قدرتمند جدیدی برای کاوش دقیق‌تر عملکرد مغز در اختیار دارند. با گسترش استفاده از این فناوری، ممکن است پاسخ‌هایی برای برخی از ماندگارترین پرسش‌های مربوط به مغز انسان آشکار شود.