پژوهشگران دانشگاه UCLA نوع جدیدی از حالت حافظه به نام “عدم فعالیت خود به خودی ” (spontaneous persistent inactivity) را کشف کرده‌اند که ممکن است درک جدیدی از اختلالات حافظه مانند آلزایمر فراهم کند.
به گزارش تکناک،این حالت در عین حال باعث کاهش مصرف‌های متابولیک حتی در هنگام خواب می‌شود. این حافظه کارآمد در ناحیه‌ای از مغز که برای یادگیری و حافظه ضروری است یافت می‌شود، جایی که بیماری آلزایمر نیز از آنجا منشا می‌گیرد.
آیا حالت آشنا به نظر می‌رسد: شما برای آوردن چیزی به آشپزخانه می‌روید، اما وقتی به آنجا می‌رسید، فراموش می‌کنید که چه می‌خواستید. در این حالت یعنی حافظه کاری شما از کار افتاده است. حافظه کاری به عنوان به خاطر سپردن برخی اطلاعات برای مدت کوتاهی در حالی که مشغول انجام کارهای دیگر هستید، تعریف می‌شود.
ما تقریباً همیشه از حافظه کاری خود استفاده می‌کنیم. بیماران آلزایمری و زوال عقل دارای نقص حافظه فعال هستند و همچنین اختلال شناختی خفیفی (MCI) از خود نشان می‌دهند. از این رو، تلاش‌های قابل توجهی برای درک مکانیسم‌هایی که شبکه‌های وسیع نورون‌ها در مغز حافظه فعال ایجاد می‌کنند، اختصاص داده شده است.
نقش قشر آنتورینال
در حین انجام وظایف حافظه کاری، بیرونی‌ترین لایه مغز که به عنوان نئوکورتکس شناخته می‌شود، اطلاعات حسی را به مناطق عمیق‌تر مغز از جمله ناحیه مرکزی به نام قشر انتورینال،که برای تشکیل خاطرات بسیار مهم است، ارسال می‌کند. نورون‌ها در قشر انتورینال مجموعه پیچیده‌ای از پاسخ‌ها را نشان می‌دهند که برای مدت طولانی دانشمندان را متحیر کرده و منجر به دریافت جایزه نوبل پزشکی در سال 2014 شد، اما مکانیسم‌های حاکم بر این پیچیدگی تاکنون ناشناخته مانده است. قشر انتورینال جایی است که بیماری آلزایمر در آنجا شروع به شکل‌گیری می‌کند.
بنابراین بسیار مهم است که بفهمیم وقتی نئوکورتکس با قشر آنتورینال ارتباط برقرار می‌کند و آن را به حافظه فعال تبدیل می‌کند، چه نوع جادویی در شبکه کورتیکو-آنتورینال اتفاق می‌افتد. مایانک مهتا، نویسنده مسئول این مطالعه گفت: این یافته می‌تواند تشخیص زودهنگام بیماری آلزایمر و زوال عقل مرتبط با آن و اختلال شناختی خفیف را ارائه دهد.
برای رفع این مشکل، مهتا و نویسندگان همکارش رویکردی جدید ابداع کردند به نام: میکروسکوپ ریاضی.
در دنیای فیزیک معمولاً از مدل‌های ریاضی استفاده می‌شود، از کپلر گرفته تا نیوتن و انیشتین، تا چیزهای شگفت‌انگیزی که ما هرگز ندیده‌ایم یا حتی تصورش را هم نکرده‌ایم، آشکار کنند، مانند عملکرد درونی ذرات زیر اتمی و داخل سیاه‌چاله. مدل‌های ریاضی در علوم مغز نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما پیش‌بینی‌های آنها به اندازه فیزیک جدی گرفته نمی‌شود. دلیل این امر این است که در فیزیک، پیش‌بینی‌های نظریه‌های ریاضی به صورت کمی آزمایش می‌شوند نه فقط کیفی.
معمولاً اعتقاد بر این است که استفاده از نظریات ریاضی در چنین آزمایش‌هایی کمی دقیق در زیست‌شناسی غیرممکن است زیرا مغز بسیار پیچیده‌تر از دنیای فیزیکی است. استفاده از تئوری‌های ریاضی در فیزیک بسیار ساده و شامل پارامترهای بسیار کمی آزاد و در نتیجه تست‌های تجربی دقیق هستند. در مقابل، مغز میلیاردها نورون و تریلیون‌ها اتصال دارد که بررسی آنها در ریاضی بسیار دشوار است، چه رسد به یک میکروسکوپ بسیار دقیق.
ساده‌سازی سیستم‌های پیچیده
دکتر کریشنا چوداری، نویسنده اصلی این مطالعه گفت: برای مقابله با این مانع به ظاهر غیرممکن، ابداع یک نظریه ساده که بتواند داده‌های تجربی دینامیک حافظه را در داده‌های درون‌تنی با دقت بالا توضیح دهد، فرض کردیم که ارتباط کورتیکو انترورینال و جادوی حافظه حتی زمانی که شرکت‌کنندگان در خواب هستند، رخ می‌دهد.
سپس محققان یک فرض بزرگ دیگر را مطرح کردند: پویایی کل قشر مغز و قشر آنتورینال در هنگام خواب یا بیهوشی را می‌توان تنها توسط دو نورون ضبط کرد. این فرضیات مشکل تعامل میلیاردها نورون را تنها به دو متغیر آزاد کاهش داد: قدرت ورودی از نئوکورتکس به قشر آنتورینال و قدرت اتصالات مکرر درون قشر آنتورینال.
مهتا می‌گوید: اگر نظریه‌مان را به‌صورت کمی روی داده‌ها در داخل بدن آزمایش کنیم، آن‌وقت آنها فقط بازی‌های ریاضی جالبی هستند، نه درک محکمی از جادوی حافظه‌ساز.
آزمایش‌های حیاتی این نظریه به آزمایش‌های پیچیده توسط دکتر توماس هان که یکی از نویسندگان این مطالعه است، نیاز داشت.
کورتکس آنتورینال یک مدار پیچیده است. هان گفت: برای آزمایش واقعی این نظریه، ما به تکنیک‌های تجربی نیاز داشتیم که نه تنها می‌توانند فعالیت عصبی را با دقت بالا اندازه‌گیری کنند، بلکه هویت آناتومیکی دقیق نورون را نیز تعیین کنند.
هان و دکتر سون بربریچ، که یکی دیگر از نویسندگان این مطالعه است، پتانسیل غشایی نورون‌های شناسایی شده از قشر آنتورینال را در داخل بدن، با استفاده از یک روش به نام گیره پچ سلول کامل، اندازه‌گیری کردند و سپس از تکنیک های تشریحی برای شناسایی نورون استفاده کردند. آنها به‌طور همزمان فعالیت قشر جداری را اندازه‌گیری کردند که بخشی از نئوکورتکس است که ورودی‌ها را به قشر آنتورینال می‌فرستد.
مهتا گفت: نظریه ریاضی و داده‌های پیچیده درون‌تنی ضروری و جالب هستند، اما ما باید با یک مانع دیگر مقابله می‌کردیم و آن هم این بود که چگونه می‌توان این نظریه ساده را روی داده‌های عصبی پیچیده ترسیم کرد؟
چوداری گفت: این کار به یک دوره طولانی برای توسعه نیاز داشت تا یک میکروسکوپ ریاضی تولید شود که بتواند مستقیماً عملکرد درونی نورون‌ها را در حین ایجاد حافظه آشکار کند. تا آنجا که ما می‌دانیم، این کار قبلا انجام نشده است.
کشف حالات جدید حافظه
محققان مشاهده کردند که مانند موجی که اقیانوس شکل می‌گیرد و سپس به خط ساحلی برخورد می‌کند، سیگنال‌های نئوکورتکس بین حالت‌های روشن و خاموش در فواصل زمانی که شخص یا حیوان می‌خوابد، در نوسان است. در همین حال، قشر آنتورینال مانند یک شناگر در آب عمل می‌کند که می‌تواند در صورت تغییر شکل موج به سمت بالا حرکت کند و پس از عقب‌نشینی به سمت پایین حرکت کند. داده‌ها این را نشان می‌دهد و مدل نیز این را نشان می‌دهد. با استفاده از این تطابق ساده، این مدل زندگی خود را گرفت و نوع جدیدی از حالت حافظه را کشف کرد که به عنوان عدم فعالیت مداوم خود به خودی شناخته می‌شود.
گویی موجی وارد می‌شود و قشر آنتورینال می‌گوید: موجی وجود ندارد! من یادم می‌آید که اخیراً هیچ موجی وجود نداشت، بنابراین من این موج فعلی را نادیده می‌گیرم و اصلاً پاسخ نمی‌دهم. این عدم به معنای فعالیت مداوم است. متناوبا، فعالیت مداوم زمانی رخ می‌دهد که موج قشر مغز ناپدید می‌شود، اما نورون‌های آنتورینال به یاد می‌آورند که اخیراً موجی وجود داشته است و به حرکت رو به جلو ادامه می‌دهند.
در حالی که بسیاری از تئوری‌های حافظه فعال وجود فعالیت مداوم را نشان داده بودند، عدم فعالیت مداوم چیزی بود که مدل پیش‌بینی کرده بود و قبلاً هرگز دیده نشده بود.
مهتا گفت: بخش جالب در مورد عدم فعالیت مداوم این است که عملاً هیچ انرژی نمی‌گیرد، بر خلاف فعالیت مداوم که انرژی زیادی می‌گیرد و هزینه انرژی متابولیک به نصف می‌رسد.
میکروسکوپ ریاضی ده‌ها پیش‌بینی را انجام داد، نه فقط در مورد بخش‌های داخلی، بلکه در مورد بسیاری از مناطق دیگر مغز نیز. در کمال تعجب ، میکروسکوپ ریاضی هر بار کار کرد. چنین تطابق تقریباً کاملی بین پیش‌بینی‌های یک نظریه ریاضی و آزمایش‌ها در علم اعصاب بی‌سابقه است.
مهتا ادامه داد: این مدل ریاضی که کاملاً با آزمایش‌ها مطابقت دارد، یک میکروسکوپ جدید است. این مدل چیزی را نشان می‌دهد که هیچ میکروسکوپی بدون آن نمی‌تواند ببیند.
مهتا گفت: در واقع کاستی‌های متابولیک، ویژگی مشترک بسیاری از اختلالات حافظه است. اعضای آزمایشگاه مهتا اکنون این تحقیق را دنبال می‌کنند تا بفهمند که حافظه کاری پیچیده چگونه شکل می‌گیرد و در طول بیماری آلزایمر، زوال عقل و سایر اختلالات حافظه چه مشکلی در قشر انتورینال رخ می‌دهد.
این کشف در مجله Nature Communications منتشر شده است.
