مغز بزرگسالان پر از میلیون‌ها سیناپس خاموش است

دانشمندان علوم اعصاب موسسه MIT متوجه شدند که مغز بزرگسالان مملو از میلیون‌ها “سیناپس خاموش” است .

به گزارش تکناک، این سیناپس های خاموش منجر به ارتباطات ناکافی بین نورون ها می شوند و تا زمانی که نیاز به ساخت خاطرات جدید نباشد این نورون ها فعال نمی شوند.

توانایی یک مغز بالغ برای ایجاد خاطرات جدید و جذب اطلاعات جدید، ممکن است به وسیله یک سری ارتباطات توضیح داده شود.

قبلاً اعتقاد بر این بود که سیناپس‌های خاموش فقط در مراحل اولیه رشد وجود دارند و در کمک به مغز در یادگیری اطلاعات جدیدی که انسان در اوایل زندگی با آن مواجه می‌شوند، نقش دارند. با این حال، مطالعه جدید MIT نشان داد که در موش های بالغ، تقریباً 30 درصد از تمام سیناپس ها در قشر مغز خاموش هستند.

به گفته محققان، وجود این سیناپس‌های خاموش ممکن است به توضیح این که چگونه مغز یک فرد بزرگسال می‌تواند به طور مداوم خاطرات جدید را شکل دهد و چیزهای جدید را بدون نیاز به تغییر سیناپس‌های معمولی موجود بیاموزد، کمک کند.

دیمیترا واردالکی، دانشجوی کارشناسی ارشد MIT و نویسنده اصلی این مطالعه جدید می گوید: این سیناپس های خاموش به دنبال اتصالات جدید هستند و زمانی که اطلاعات مهم جدید ارائه می شود، ارتباطات بین نورون های مربوطه تقویت می شود. این کار به مغز اجازه می‌دهد تا بدون بازنویسی خاطرات مهم ذخیره شده در سیناپس‌های بالغ که تغییر آن‌ها سخت‌تر است، خاطرات جدیدی ایجاد کند.

مارک هارنت، نویسنده ارشد این مقاله است که اخیراً در مجله نیچر منتشر شده است. چانگ، دانشیار مهندسی شیمی در MIT، همچنین یک نویسنده همکار در این مقاله است.

یک کشف شگفت انگیز

هنگامی که دانشمندان برای اولین بار سیناپس های خاموش را دهه ها پیش کشف کردند، این سیناپس ها عمدتاً در مغز موش های جوان و سایر حیوانات دیده می شدند. اعتقاد بر این است که در طول رشد اولیه، این سیناپس ها به مغز کمک می کنند تا مقادیر عظیمی از اطلاعاتی را که نوزادان در مورد محیط اطراف خود و نحوه تعامل با محیط باید بیاموزند، به دست آورد. در موش ها، اعتقاد بر این بود که این سیناپس ها در حدود 12 روزگی (معادل ماه های اول زندگی انسان) ناپدید می شوند.

با این حال، برخی از دانشمندان علوم اعصاب فکر می کنند که سیناپس‌های خاموش ممکن است تا بزرگسالی باقی بمانند و به شکل‌گیری خاطرات جدید کمک کنند. شواهدی برای این امر در نمونه های حیوانی مبتلا به اعتیاد دیده شده است، که تصور می شود تا حد زیادی این موضوع منجر به اختلال در یادگیری شود.

محققان بخش نظری در این زمینه می گویند که نورون‌ها باید طیف وسیعی از مکانیسم‌های انعطاف‌پذیری مختلف را نشان دهند تا توضیح دهند که چگونه مغز می‌تواند به طور موثر چیزهای جدید را یاد بگیرد و آنها را در حافظه بلندمدت حفظ کند. در این سناریوی نظری، برخی از سیناپس ها باید به راحتی ایجاد یا اصلاح شوند تا خاطرات جدید را تشکیل دهند، در حالی که برخی دیگر باید خیلی پایدارتر باقی بمانند تا خاطرات طولانی مدت حفظ شود.

در مطالعه جدید، تیم MIT به طور خاص به دنبال سیناپس های خاموش نبود. در عوض، آنها در حال پیگیری یک یافته جالب از یک مطالعه قبلی در آزمایشگاه هارنت بودند. در آن تحقیق، محققان نشان دادند که در درون یک نورون واحد، دندریت‌ها که پسوندهای آنتن مانندی هستند که از نورون‌ها بیرون زده‌اند ،می‌توانند ورودی سیناپسی را به روش‌های مختلفی پردازش کنند،البته این موضوع بسته به مکانشان هم دارد.

به عنوان بخشی از آن مطالعه، محققان سعی کردند گیرنده های انتقال دهنده عصبی را در شاخه های دندریتیک مختلف اندازه گیری کنند تا ببینند آیا این کار به توضیح تفاوت در رفتار آنها کمک می کند یا خیر. برای انجام این کار، آنها از تکنیکی به نام eMAP (تحلیل بزرگ‌نمایی پروتئوم حفظ اپی توپ) استفاده کردند که توسط چانگ توسعه داده شده بود. با استفاده از این تکنیک، محققان می‌توانند به طور فیزیکی یک نمونه بافت را گسترش دهند و سپس پروتئین‌های خاصی را در نمونه نشانه گذاری کنند و این امکان را فراهم کنند تا تصاویری با وضوح فوق‌العاده بالا به دست آورند.

در حالی که آنها در حال انجام این تصویربرداری بودند، به کشف شگفت انگیزی دست یافتند. هارنت می گوید: اولین چیزی که دیدیم که فوق العاده عجیب بود و انتظارش را نداشتیم، این بود که همه جا فیلوپودیا وجود داشت.

فیلوپودیا که برآمدگی‌های غشایی نازکی هستند که از دندریت‌ها امتداد می‌یابند، قبلاً هم دیده شده بودند، اما دانشمندان علوم اعصاب دقیقاً نمی‌دانستند که عملکرد آن ها چیست. این سردرگمی تا حدی به این دلیل است که فیلوپودیا آنقدر ریز هستند که با استفاده از تکنیک های تصویربرداری سنتی دیدن آنها دشوار است.

پس از انجام این مشاهدات، تیم MIT تلاش کرد تا با استفاده از تکنیک eMAP، فیلوپودیا را در سایر بخش‌های مغز بزرگسالان بیابد. در کمال تعجب، آنها فیلوپودیا را در قشر بینایی موش و سایر بخش‌های مغز، به میزان 10 برابر بیشتر از آنچه قبلاً دیده بودند، یافتند. آنها همچنین متوجه شدند که فیلوپودیا دارای گیرنده های انتقال دهنده عصبی به نام گیرنده های NMDA است، اما گیرنده های AMPA ندارد.

یک سیناپس فعال معمولی دارای هر دو نوع گیرنده است که انتقال دهنده عصبی گلوتامات را متصل می کند. گیرنده‌های NMDA معمولاً برای ارسال سیگنال‌ها نیاز به همکاری با گیرنده‌های AMPA دارند زیرا گیرنده‌های NMDA توسط یون‌های منیزیم در پتانسیل استراحت طبیعی نورون‌ها مسدود می‌شوند. بنابراین، وقتی گیرنده‌های AMPA وجود ندارند، سیناپس‌هایی که فقط گیرنده‌های NMDA دارند، نمی‌توانند در امتداد جریان الکتریکی عبور کنند که به همین خاطر به آنها «بی‌صدا» می‌گویند.

سیناپس های خاموش کننده

برای بررسی اینکه آیا این فیلوپودیا ممکن است همان سیناپس های خاموش باشند یا خیر، محققان از نسخه اصلاح شده یک روش آزمایشی به نام چسباندن پچ استفاده کردند. این کار به آن‌ها اجازه داد تا فعالیت الکتریکی تولید شده در فیلوپودیای منفرد را در حالی که تلاش می‌کردند با تقلید از انتشار انتقال‌دهنده عصبی گلوتامات از یک نورون مجاور آنها را تحریک کنند، نظارت کنند.

با استفاده از این روش، محققان متوجه شدند که گلوتامات هیچ سیگنال الکتریکی را در فیلوپودیا دریافت کننده ورودی تولید نمی کند، مگر اینکه گیرنده های NMDA به طور آزمایشی مسدود شده باشند. به گفته محققان، این اتفاق حمایت قوی از این نظریه می کند که فیلوپودیا نشان دهنده وجود سیناپس های خاموش در مغز است.

محققان همچنین نشان دادند که می‌توانند این سیناپس‌ها را با ترکیب آزادسازی گلوتامات با جریان الکتریکی که از نورون می‌آید، خاموش کنند. این تحریک ترکیبی، منجر به تجمع گیرنده‌های AMPA در سیناپس خاموش می‌شود و به آن اجازه می‌دهد تا ارتباط قوی با آکسون مجاور که گلوتامات را آزاد می‌کند،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 این آزمایش را با یک سیناپس از قبل فعال شروع کنید، این کار جواب نخواهد داد. سیناپس‌ها در مغز بزرگسالان آستانه بسیار بالاتری دارند،این موضوع احتمالاً به این دلیل است که مغز می‌خواهد خاطرات بسیار انعطاف‌پذیر باشند. مغز شما نمی خواهد آنها دائماً بازنویسی شوند. از سوی دیگر، فیلوپودیا را می توان برای ایجاد خاطرات جدید استفاده کرد.

انعطاف پذیر و قدرت

به گفته محققان، این یافته ها از یک نظریه ارائه شده حمایت می کند که مغز بالغ شامل سیناپس هایی است که می توانند برای ایجاد خاطرات جدید به کار گرفته شوند.

هارنت می گوید: تا آنجایی که من می دانم، این مقاله اولین مدرک واقعی است که نشان می دهد فیلوپودیا چگونه در مغز پستانداران عمل می کند. فیلوپودیا به سیستم حافظه اجازه می دهد تا هم انعطاف پذیر و هم قوی باشد. برای به دست آوردن اطلاعات جدید به انعطاف پذیری نیاز دارید، اما برای حفظ اطلاعات مهم به ثبات و قدرت مغز نیاز دارید.

محققان اکنون به دنبال شواهدی از این سیناپس های خاموش در بافت مغز انسان هستند. آنها همچنین امیدوارند که بررسی کنند که آیا تعداد یا عملکرد این سیناپس ها تحت تأثیر عواملی مانند پیری یا بیماری های عصبی است یا خیر.