دانشمندان راهی جدید برای شنیدن “زبان پنهان” مغز کشف کردند!

دانشمندان پروتئین جدیدی ساخته‌اند که می‌تواند سیگنال‌های شیمیایی ورودی دریافت‌شده توسط سلول‌های مغزی را ثبت کند، نه فقط سیگنال‌هایی که آن‌ها ارسال می‌کنند. این پیام‌های ورودی توسط گلوتامات، یک انتقال‌دهنده عصبی که نقش اصلی در ارتباطات مغزی دارد، حمل می‌شوند. گرچه فعالیت گلوتامات برای عملکرد مغز ضروری است، اما سیگنال‌های آن فوق‌العاده ظریف و سریع هستند و مشاهده آن‌ها را تاکنون تقریباً ناممکن کرده بود.

این پیشرفت به محققان اجازه می‌دهد تا این پیام‌های شیمیایی ضعیف را هنگام رسیدن به نورون‌های تکی ثبت کنند و پنجره جدیدی را به نحوه پردازش اطلاعات در مغز می‌گشاید.

اهمیت این کشف

با تشخیص سیگنال‌های ورودی، دانشمندان اکنون می‌توانند نحوه محاسبه اطلاعات توسط نورون‌ها را بررسی کنند. هر نورون قبل از تولید یک خروجی، هزاران ورودی را ادغام می‌کند؛ فرایندی که زیربنای تفکر، تصمیم‌گیری و حافظه است. توانایی مشاهده مستقیم این فرایند می‌تواند به توضیح سؤالات دیرینه در مورد نحوه کارکرد مغز کمک کند.

این کشف همچنین پیامدهای مهمی برای تحقیقات بیماری دارد. سیگنال‌دهی غیرطبیعی گلوتامات با بیماری‌هایی مانند آلزایمر، اسکیزوفرنی، اوتیسم و صرع مرتبط دانسته شده است. در اختیار داشتن ابزارهایی که می‌توانند این سیگنال‌ها را با دقت بیشتری ردیابی کنند، ممکن است به محققان کمک کند تا مشکل اصلی در این اختلالات را شناسایی کنند.

توسعه دارو نیز می‌تواند از این کشف بهره‌مند شود. محققان داروسازی می‌توانند از این حسگرها استفاده کنند تا ببینند درمان‌های آزمایشی چگونه بر فعالیت واقعی سیناپسی تأثیر می‌گذارند و به طور بالقوه توسعه درمان‌های مؤثرتر را تسریع بخشند.

پروتئینی جدید که به نورون‌ها گوش می‌دهد!

این پروتئین که توسط دانشمندان در مؤسسه آلن (Allen Institute) و پردیس تحقیقاتی ژانلیا (Janelia Research Campus) وابسته به HHMI توسعه یافته است، یک “نشانگر مولکولی گلوتامات” است که با نام iGluSnFR4 (با تلفظ ‘گلو اسنیفر’) شناخته می‌شود. این پروتئین به قدری حساس است که می‌تواند ضعیف‌ترین سیگنال‌های شیمیایی ورودی مبادله شده بین نورون‌ها را تشخیص دهد.

iGluSnFR4 با آشکارسازی زمان و مکان انتشار گلوتامات، راه جدیدی را برای تفسیر الگوهای پیچیده‌ای از فعالیت که از یادگیری، حافظه و احساسات حمایت می‌کنند، ارائه می‌دهد. اکنون محققان می‌توانند ارتباط نورون‌ها را در زمان واقعی در داخل مغز مشاهده کنند، به جای اینکه فعالیت را به طور غیرمستقیم استنباط کنند. این یافته‌ها اخیراً در مجله Nature Methods منتشر شده‌اند و می‌توانند به‌طور قابل‌توجهی نحوه اندازه‌گیری و تحلیل فعالیت عصبی در تحقیقات علوم اعصاب را تغییر دهند.

نحوه ارتباط نورون‌ها در داخل مغز

برای درک اهمیت این پیشرفت، دانستن نحوه تعامل سلول‌های مغزی مفید است. میلیاردها نورون با ارسال پالس‌های الکتریکی در ساختارهای بلند و شاخه‌مانندی به نام آکسون با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. هنگامی‌که یک سیگنال الکتریکی به انتهای یک آکسون می‌رسد، نمی‌تواند از شکاف کوچک به سمت سلول بعدی که به عنوان سیناپس شناخته می‌شود، عبور کند.

در عوض، سیگنال باعث آزاد شدن پیام‌رسان‌های شیمیایی به نام انتقال‌دهنده‌های عصبی به داخل سیناپس می‌شود. گلوتامات، که رایج‌ترین انتقال‌دهنده عصبی در مغز است، به ویژه برای حافظه، یادگیری و احساسات اهمیت دارد. هنگامی‌که گلوتامات به نورون بعدی می‌رسد، می‌تواند باعث شلیک آن سلول و انتقال سیگنال به جلو شود.

این فرایند شبیه به یک واکنش زنجیره‌ای است، اما بسیار پیچیده‌تر است. هر نورون ورودی را از هزاران نورون دیگر دریافت می‌کند و تنها ترکیبات و الگوهای خاصی از آن ورودی‌ها تعیین می‌کنند که آیا نورون گیرنده فعال شود یا خیر. با این حسگر پروتئینی جدید، دانشمندان اکنون می‌توانند تشخیص دهند که کدام الگوهای سیگنال‌های ورودی منجر به شلیک نورونی می‌شوند.

ثبت سیگنال‌هایی که زمانی نامرئی بودند!

تاکنون، مشاهده این سیگنال‌های ورودی در بافت زنده مغز تقریباً غیرممکن بود. فناوری‌های قبلی یا بسیار کند بودند یا به اندازه کافی حساس نبودند تا فعالیت در سیناپس‌های تکی را اندازه‌گیری کنند. در نتیجه، محققان تنها می‌توانستند قطعاتی از ارتباط عصبی را ببینند نه تبادل کامل را.

دکتر کاسپار پودگورسکی، نویسنده اصلی این مطالعه و دانشمند ارشد در مؤسسه آلن، گفت:

مثل خواندن کتابی است که تمام کلماتش به هم ریخته و ترتیب کلمات یا نحوه چیدمان آن‌ها را نمی‌فهمیم. احساس می‌کنم کاری که ما در اینجا انجام می‌دهیم، اضافه کردن اتصالات بین آن نورون‌ها است و با انجام این کار، اکنون ترتیب کلمات روی صفحات و معنی آن‌ها را می‌فهمیم.

قبل از وجود حسگرهای پروتئینی مانند iGluSnFR4، دانشمندان محدود به ثبت سیگنال‌های خروجی از نورون‌ها بودند. پیام‌های ورودی برای تشخیص، بسیار ضعیف و کوتاه بودند و شکاف بزرگی در درک نحوه ارتباط سلول‌های مغزی باقی می‌گذاشتند.

پر کردن یک شکاف حیاتی در علوم اعصاب

دکتر پودگورسکی اظهار داشت:

محققان علوم اعصاب روش‌های نسبتاً خوبی برای اندازه‌گیری اتصالات ساختاری بین نورون‌ها دارند، و در آزمایش‌های جداگانه می‌توانیم آنچه برخی از نورون‌های مغز می‌گویند را اندازه‌گیری کنیم، اما در ترکیب این دو نوع اطلاعات خوب عمل نکرده‌ایم. اندازه‌گیری اینکه نورون‌ها به کدام نورون‌های دیگر چه می‌گویند، دشوار است. آنچه ما در اینجا اختراع کرده‌ایم، روشی برای اندازه‌گیری اطلاعاتی است که از منابع مختلف به نورون‌ها وارد می‌شود، و این بخش حیاتی گم‌شده از تحقیقات علوم اعصاب بوده است.

جرمی هاسمن، دانشمند در پردیس تحقیقاتی ژانلیا، بر تلاش مشترک پشت این کشف تأکید کرد. او گفت:

موفقیت iGluSnFR4 از همکاری نزدیک ما که در پردیس تحقیقاتی ژانلیا بین تیم پروژه GENIE و آزمایشگاه کاسپار آغاز شد، نشأت می‌گیرد. آن تحقیق به کار فوق‌العاده مشخصه‌یابی درون‌تنی (in vivo) که توسط گروه دینامیک عصبی مؤسسه آلن انجام شد، گسترش یافت. این نمونه بزرگی از همکاری بین آزمایشگاه‌ها و مؤسسات برای ایجاد اکتشافات جدید در علوم اعصاب بود.

گشودن در به سوی اکتشافات جدید

این پیشرفت یک مانع بزرگ را در علوم اعصاب مدرن برطرف می‌کند و مشاهده مستقیم نحوه دریافت اطلاعات توسط سلول‌های مغزی را ممکن می‌سازد. اکنون که iGluSnFR4 از طریق Addgene در دسترس محققان قرار دارد، دانشمندان ابزار قدرتمند جدیدی برای بررسی نحوه عملکرد مغز در اساسی‌ترین سطح خود در اختیار دارند. با پذیرش گسترده‌تر این فناوری، ممکن است به کشف پاسخ برخی از پایدارترین اسرار مغز کمک کند.

منبع: Scitechdaily