چگونه سیستم عصبی رفتارهای ما را متعادل می‌کند

یک مدل حیوانی ساده نشان می‌دهد که چگونه در سیستم عصبی محرک‌ها و حالت‌هایی مانند بو، عوامل استرس‌زا و سیری می توانند در یک نورون بویایی برای هدایت رفتار در جستجوی غذا با یکدیگر همگرا ‌شوند.

به گزارش تکناک، تصور کنید روبروی یک نانوایی زندگی می کنید. گاهی اوقات وقتی بوی نان از پنجره وارد خانه می شود احساس گرسنگی به شما دست می دهد بنابراین وسوسه می شوید که چیزی بخورید.

با این حال، مواقع دیگر اگر سیر باشید این بو شما رو نسبت به خوراکی ها بی علاقه می کند. این یعنی مغز شما تأثیرات زیادی را در تعیین اینکه چه کاری انجام خواهید داد، متعادل می کند.

نمونه ای از شیوه عملکرد مغز در مطالعه یک حیوان بسیار ساده تر توسط محققان MIT به تفصیل شرح داده شده است. این مطالعه یک اصل بالقوه اساسی را نشان می دهد که چگونه سیستم های عصبی عوامل متعددی را برای هدایت رفتار جستجوی غذا یکپارچه می کنند.

همه حیوانات در هنگام فرموله کردن رفتارها در چالش وزن کردن نشانه‌های حسی و حالات درونی مختلف شبیه به هم عمل می کنند، اما دانشمندان اطلاعات کمی در مورد چگونگی وقوع این اتفاق دارند. برای به دست آوردن بینش عمیق، تیم تحقیقاتی مستقر در مؤسسه یادگیری و حافظه Picower به نوعی کرم به نام C. elegans روی آوردند، که حالت‌های رفتاری مشخص و سیستم عصبی 302 سلولی آن این مشکل پیچیده را حداقل قابل حل می‌سازد. آنها با یک مطالعه موردی نشان دادند که چگونه، در یک نورون بویایی مهم به نام AWA، بسیاری از منابع اطلاعات کیفی و حسی با یکدیگر همگرا می شوند تا به طور مستقل بیان یک گیرنده بوی کلیدی را مهار کنند. ادغام تأثیر آنها بر فراوانی آن گیرنده تعیین می کند که AWA چگونه به جستجو برای یافتن غذا کمک می کند.

دانشیار و نویسنده ارشد استیون فلاول، در بخش مغز و علوم شناختی MIT می گوید: در این مطالعه، ما مکانیسم‌هایی را شرح دادیم که در یک نورون بویایی سطوح گیرنده بویایی را بر اساس وضعیت و محرک‌ هایی که حیوان تجربه می‌کند، کنترل می‌کند. به طور کلی درک اینکه چگونه ادغام تاثیر منابع حسی و کیفی در یک سلول اتفاق می افتد، راه را برای چگونگی وقوع آن در سایر نورون های کرم مورد مطالعه و سایر حیوانات دیگر نشان می دهد.

ما متعجب شدیم که متوجه شدیم حالات درونی حیوان می‌تواند چنین تأثیری بر بیان ژن(بیان ژن فرآیندی است که طی آن اطلاعات یک ژن در سنتز یک محصول ژن کاربردی استفاده می شود که آن را قادر می سازد محصولات نهایی تولید کند) در سطح نورون‌های حسی داشته باشد . اساساً گرسنگی و استرس با تغییر آنچه نورون‌های حسی به آن‌ها واکنش نشان می‌دهند، تغییراتی را در نحوه حس حیوان از جهان خارج ایجاد می‌کند.

ما همچنین از دیدن این که بیان گیرنده های شیمیایی تنها به یک ورودی بستگی ندارد ، بلکه به مجموع محیط خارجی، وضعیت تغذیه و سطوح استرس بستگی دارد ، هیجان زده شدیم. این روش جدیدی برای تفکر در مورد چگونگی کدگذاری حالت ها و محرک های رقیب در مغز حیوانات است.

در واقع مک لاکلان، فلاول و تیم آنها به طور خاص به دنبال نورون AWA یا گیرنده شیمیایی بویایی خاص، به نام STR-44 نبودند. ژن‌ها وقتی کرم‌ها به مدت سه ساعت از غذا دور می‌مانند در مقایسه با زمانی که به خوبی تغذیه می‌شدند، بیشتر تغییر می‌کردند.

اهداف مطالعه از بررسی این تغییر ژن ها پدیدار شد . در یک دسته، ژن ها از گیرنده های شیمی-حسی تفاوت های زیادی را نشان دادند و ثابت شد که AWA یک نورون با تعداد زیادی از این ژن‌های تنظیم‌شده بالا است و دو گیرنده STR-44 و SRD-28 در بین آن‌ها برجسته به نظر می‌رسد.

این نتیجه به تنهایی نشان داد که یک حالت درونی (گرسنگی) بر میزان بیان گیرنده در یک نورون حسی تأثیر می گذارد. مک لاکلان و همکارانش توانستند نشان دهند که بیان STR-44 نیز به طور مستقل بر اساس وجود یک ماده شیمیایی استرس زا، بر اساس انواع بوهای غذا، و اینکه آیا کرم فواید متابولیک خوردن غذا را دریافت کرده است، تغییر می کند. آزمایشات بیشتر توسط نویسنده دوم، تالیا کرامر، دانشجوی دکترا، نشان داد که کدام بوها باعث تحریک STR-44 می شود و به محققان اجازه می دهد تا نشان دهند که چگونه تغییرات در بیان STR-44 در AWA مستقیماً بر رفتار جستجوی غذا تأثیر می گذارد.  با این حال تحقیقات بیشتر، ابزار مولکولی و مداری دقیقی را که از طریق آن این سیگنال‌های متفاوت به AWA می‌رسند و نحوه عمل آنها در داخل سلول برای تغییر بیان STR-44 را نشان می دهد.

برای مثال، در یک آزمایش، تیم مک‌لاکلان و فلاول نشان دادند که در حالی که کرم‌های سیر و گرسنه اگر به اندازه کافی قوی باشند، به سمت بوی مورد علاقه گیرنده‌ها می‌چرخند، فقط کرم‌های ناشتا می‌توانند غلظت‌های ضعیف‌تر بوی غذا را تشخیص دهند. در آزمایشی دیگر، آنها دریافتند کرم‌های گرسنه پس از رسیدن به منبع غذایی، سرعت غذا خوردن را کاهش می‌دهند اما زمانی که کرم‌های سیر از  منبع غذایی عبور می کنند ، کرم های گرسنه می‌توانند با بیان مصنوعی STR-44، کرم‌های سیر را به خوردن غذا تحریک کنند. چنین آزمایش‌هایی نشان داد که تغییرات بیان STR-44 تأثیر مستقیمی بر جستجوی غذا در این کرم دارد.

چندین آزمایش دیگر مسیرهای سیستم عصبی کرم را که نشانه‌های حسی، گرسنگی و غذا خوردن فعال را به AWA می‌آورد، بررسی کردند. دستیار فنی مالویکا دوا کمک کرد تا نشان دهد که چگونه سایر نورون های حسگر غذا بر بیان STR-44 در AWA از طریق سیگنال دهی انسولین و اتصالات سیناپسی تأثیر می گذارند. نشانه هایی در مورد اینکه آیا کرم به طور فعال در حال خوردن است یا خیر از نورون های روده که از حسگر ماده مغذی مولکولی به نام TORC2 استفاده می کنند به AWA می رسد. اینها و مسیر تشخیص استرس، همگی بر روی FOXO که تنظیم کننده بیان ژن است، تاثیرگذاشتند. به عبارت دیگر، تمام ورودی‌هایی که بیان STR-44 را در AWA تحت تأثیر قرار می‌دهند، این کار را با فشار دادن و کشیدن مستقل روی یک اهرم مولکولی انجام می‌دهند.

محققان خاطرنشان می کنند که مسیرهایی مانند انسولین و TORC2 نه تنها در سایر نورون های حسی کرم، بلکه در بسیاری از حیوانات دیگر از جمله انسان وجود دارد. علاوه بر این، گیرنده های حسی با تحمل گرسنگی در نورون های بیشتری نسبت به AWA تنظیم شدند. فلاول می‌گوید این همپوشانی‌ها نشان می‌دهد که مکانیسمی که در AWA برای یکپارچه‌سازی اطلاعات کشف کرده‌اند، احتمالاً در سایر نورون‌ها و شاید در حیوانات دیگر نقش دارد.