چگونه مغز ارتباطات بین نورون‌ها را تقویت

هنگامی که مغز خاطرات را تشکیل می‌دهد یا یک کار جدید یاد می‌گیرد، اطلاعات جدید را با تنظیم اتصالات بین نورون‌ها رمزگذاری می‌کند. دانشمندان علوم اعصاب MIT مکانیسم جدیدی را کشف کرده‌اند که به تقویت این ارتباطات کمک می‌کند که سیناپس‌ها نیز نامیده می‌شوند.

در هر سیناپس، یک نورون پیش‌سیناپسی سیگنال‌های شیمیایی را به یک یا چند سلول دریافت کننده پس‌سیناپسی می‌فرستد. در بیشتر مطالعات قبلی در مورد چگونگی تکامل این ارتباطات، دانشمندان بر نقش نورون‌های پس‌سیناپسی تمرکز کرده‌اند. با این حال، تیم MIT دریافته است که نورون‌های پیش‌سیناپسی نیز بر قدرت اتصال تأثیر می‌گذارند.

تروی لیتلتون، استاد بخش زیست شناسی و مغز و علوم شناختی در MIT، یکی از اعضای MIT، می‌گوید: «این مکانیسمی که ما در سمت پیش‌سیناپسی کشف کرده‌ایم، به ابزاری اضافه می‌کند که برای درک چگونگی تغییر سیناپس‌ها در اختیار داریم. موسسه یادگیری و حافظه Picower و نویسنده ارشد این مطالعه که در شماره 18 نوامبر Neuron منتشر شده است.

یادگیری بیشتر در مورد چگونگی تغییر اتصالات سیناپس‌ها می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا اختلالات رشد عصبی مانند اوتیسم را بهتر درک کنند، زیرا بسیاری از تغییرات ژنتیکی مرتبط با اوتیسم در ژن هایی یافت می‌شوند که پروتئین‌های سیناپسی را کد می‌کنند.

ریچارد چو، دانشمند پژوهشی در موسسه Picower، نویسنده اصلی مقاله است.

سیم‌کشی مجدد مغز

یکی از بزرگترین سؤالات در زمینه علوم اعصاب این است که چگونه مغز خود را در پاسخ به شرایط رفتاری در حال تغییر سیم‌کشی می‌کند - توانایی معروف به انعطاف پذیری. این امر به ویژه در مراحل اولیه رشد بسیار مهم است، اما در طول زندگی ادامه می‌یابد زیرا مغز یاد می‌گیرد و خاطرات جدیدی را شکل می‌دهد.

در طول 30 سال گذشته، دانشمندان دریافته‌اند که ورودی قوی به یک سلول پس‌سیناپسی باعث می‌شود که گیرنده‌های بیشتری برای انتقال‌دهنده‌های عصبی به سطح خود منتقل کند و سیگنال دریافتی از سلول پیش‌سیناپسی را تقویت کند. این پدیده که به عنوان تقویت طولانی مدت (LTP) شناخته می‌شود، به دنبال تحریک مداوم و با فرکانس بالا سیناپس رخ می‌دهد. افسردگی طولانی مدت (LTD)، تضعیف پاسخ پس‌سیناپسی ناشی از تحریک با فرکانس بسیار پایین، می‌تواند زمانی رخ دهد که این گیرنده‌ها برداشته شوند.

لیتلتون می‌گوید، دانشمندان کمتر بر نقش نورون پیش‌سیناپسی در شکل‌پذیری تمرکز کرده‌اند، تا حدی به این دلیل که مطالعه آن دشوارتر است.

آزمایشگاه او چندین سال را صرف بررسی مکانیسم چگونگی آزاد کردن انتقال‌دهنده‌های عصبی سلول‌های پیش‌سیناپسی در پاسخ به موج‌های فعالیت الکتریکی معروف به پتانسیل‌های عمل کرده است. هنگامی که نورون پیش‌سیناپسی هجوم یون‌های کلسیم را ثبت می‌کند که حامل موج الکتریکی پتانسیل عمل هستند، وزیکول‌هایی که انتقال‌دهنده‌های عصبی را ذخیره می‌کنند به غشای سلول می‌پیوندند و محتویات خود را به بیرون از سلول می‌ریزند، جایی که به گیرنده‌های روی نورون پس سیناپسی متصل می‌شوند.

نورون پیش‌سیناپسی همچنین در غیاب پتانسیل عمل، در فرآیندی به نام انتشار خود به خود، انتقال دهنده عصبی را آزاد می‌کند. قبلاً تصور می‌شد که این "مینی‌ها" نشان دهنده صدایی است که در مغز رخ می‌دهد. با این حال، لیتلتون و چو دریافتند که مینی‌ها می‌توانند برای ایجاد انعطاف‌پذیری ساختاری سیناپسی تنظیم شوند.

برای بررسی چگونگی تقویت سیناپس‌ها، لیتلتون و چو نوعی از سیناپس را که به عنوان اتصالات عصبی عضلانی شناخته می‌شود، در مگس میوه مطالعه کردند. محققان نورون‌های پیش‌سیناپسی را با یک سری پتانسیل‌های عمل سریع در مدت زمان کوتاهی تحریک کردند. همانطور که انتظار می‌رفت، این سلول‌ها انتقال دهنده عصبی را به طور همزمان با پتانسیل عمل آزاد کردند. با این حال، در کمال تعجب، محققان دریافتند که رویدادهای کوچک به خوبی پس از پایان تحریک الکتریکی بسیار افزایش یافته است.

لیتلتون می‌گوید: «هر سیناپس در مغز این رویدادهای کوچک را آزاد می‌کند، اما مردم تا حد زیادی آنها را نادیده می‌گیرند، زیرا آنها فقط مقدار بسیار کمی از فعالیت را در سلول پس‌سیناپسی القا می‌کنند. هنگامی که ما یک پالس فعالیت قوی به این نورون‌ها دادیم، این رویدادهای کوچک، که معمولاً فرکانس بسیار پایینی دارند، ناگهان افزایش یافت و آنها برای چندین دقیقه قبل از پایین آمدن بالا ماندند.

رشد سیناپسی

به نظر می‌رسد که افزایش مینی نورون پس‌سیناپسی را تحریک می‌کند تا یک عامل سیگنال دهی را که هنوز شناسایی نشده است، آزاد کند که به سلول پیش‌سیناپسی باز می‌گردد و آنزیمی به نام PKA را فعال می‌کند. این آنزیم با پروتئین وزیکولی به نام کمپلکسین تعامل می‌کند که معمولاً به عنوان یک ترمز عمل می‌کند و وزیکول‌ها را می‌بندد تا از آزاد شدن انتقال دهنده عصبی تا زمانی که نیاز باشد جلوگیری می‌کند. تحریک توسط PKA، کمپلکسین را طوری تغییر می‌دهد که چسبندگی خود را بر روی وزیکول‌های انتقال‌دهنده عصبی آزاد می‌کند و رویدادهای کوچکی را ایجاد می‌کند.

وقتی این بسته‌های کوچک انتقال‌دهنده عصبی با سرعت‌های بالا آزاد می‌شوند، به تحریک رشد اتصالات جدید، معروف به بوتون، بین نورون‌های پیش‌سیناپسی و پس سیناپسی کمک می‌کنند. این باعث می‌شود که نورون پس‌سیناپسی به هرگونه ارتباط آینده از نورون پیش سیناپسی پاسخگوتر باشد.

معمولاً شما 70 یا بیشتر از این بوتون‌ها در هر سلول دارید، اما اگر سلول پیش‌سیناپسی را تحریک کنید، می‌توانید بوتون‌های جدید را به شدت رشد کنید. لیتلتون می‌گوید که تعداد سیناپس‌های تشکیل‌شده را دو برابر می‌کند.

محققان این روند را در طول رشد لارو مگس‌ها مشاهده کردند که سه تا پنج روز طول می‌کشد. با این حال، لیتلتون و چو نشان دادند که تغییرات حاد در عملکرد سیناپسی نیز می‌تواند منجر به شکل‌پذیری ساختاری سیناپسی در طول توسعه شود.

ماشین‌آلات در پایانه پیش‌سیناپسی را می‌توان به شیوه‌ای بسیار حاد تغییر داد تا اشکال خاصی از انعطاف‌پذیری ایجاد شود، که می‌تواند نه تنها در توسعه، بلکه در حالت‌های بالغ‌تر که تغییرات سیناپسی می‌تواند در طی فرآیندهای رفتاری مانند یادگیری و حافظه رخ دهد، واقعاً مهم باشد. چو می‌گوید.

ماریا بیخوفسکایا، استاد عصب‌شناسی در دانشکده پزشکی دانشگاه ایالتی وین که در این تحقیق شرکت نداشت، می‌گوید: این مطالعه از این جهت مهم است که نشان می‌دهد نورون‌های پیش‌سیناپسی چگونه به انعطاف‌پذیری کمک می‌کنند.

بیخوفسکایا می‌گوید: «می‌دانستیم که رشد اتصالات عصبی بر اساس فعالیت مشخص می‌شود، اما به‌طور مشخص آنچه در حال وقوع است چندان روشن نبود. آنها به زیبایی از مگس سرکه برای تعیین مسیر مولکولی استفاده کردند.

آزمایشگاه لیتلتون اکنون در تلاش است تا جزئیات مکانیکی بیشتری را در مورد چگونگی کنترل کمپلکسین آزادسازی وزیکول کشف کند.