یک کشف شگفت‌انگیز؛ وجود میلیون‌ها سیناپس خاموش در مغز انسان

دانشمندان MIT دریافته‌اند که در مغز بزرگسالان میلیون‌ها سیناپس خاموش وجود دارد. این سیناپس‌ها ارتباطات‌دهنده‌های رشد نیافته بین نورون‌های مغز هستند و تا زمانی که برای ایجاد خاطرات جدید مورد نیاز نباشند، فعال نخواهند بود.

در گذشته این باور وجود داشت که سیناپس‌های خاموش فقط در مراحل اولیه رشد وجود دارند و در اوایل زندگی به مغز برای یادگیری اطلاعات جدید کمک می‌کنند. با این حال مطالعه جدید MIT بر روی موش‌های بالغ نشان داد که تقریبا ۳۰٪ از تمام سیناپس‌های موجود در قشر مغز خاموش هستند.

به گفته محققان، وجود این سیناپس‌های خاموش می‌تواند توضیحی بر این باشد که چگونه مغز بزرگسالان قادر است به طور مدام خاطرات جدید را شکل داده و چیز‌های جدید بیاموزد، بدون اینکه نیاز داشته باشد سیناپس‌های معمولی موجود را تغییر دهد.

دیمیترا واردالاکی، دانشجوی کارشناسی ارشد MIT و نویسنده اصلی این مطالعه جدید می‌گوید: «این سیناپس‌های خاموش به دنبال ارتباطات جدید می‌گردند، و زمانی که اطلاعات مهم جدیدی به آن‌ها داده می‌شود، ارتباطات بین نورون‌های مغزی مرتبط، تقویت می‌شود. این به مغز اجازه می‌دهد تا بتواند خاطرات جدید را خلق و ذخیره کند، بدون اینکه بخواهد این خاطرات جدید را بر روی خاطرات مهم قبلی که در سیناپس‌های کامل قرار دارند، و تغییر آن‌ها سخت‌تر است، ذخیره کند.»

مارک هارنت، نویسنده ارشد این مقاله و دانشیار علوم مغز و شناختی است. کوآنگون چونگ، نیز دانشیار مهندسی شیمی در MIT از دیگر نویسندگان این مقاله است. این مقاله به تازگی در مجله نیچر منتشر شده است.

یک کشف شگفت‌انگیز

زمانی که دانشمندان در یک دهه پیش، برای اولین بار سیناپس‌های خاموش را کشف کردند، آن‌ها را عمدتا در مغز موش‌های جوان و سایر حیوانات دیده بودند. باور همه بر این است که این سیناپس‌ها به مغز کمک می‌کند تا حجم زیادی از اطلاعات را در خود نگه دارند. خصوصا نوزادان که نیاز دارند تا در مورد محیط اطراف خود و چگونگی تعامل با آن چیز‌های زیادی یاد بگیرند. بنظر می‌رسید که این سیناپس‌ها در موش‌ها تا ۱۲ روز اول زندگی آن‌ها وجود دارند و سپس ناپدید می‌شود. (۱۲ روزگی در موش‌ها معادل چند ماه اول زندگی در انسان‌هاست.)

اگرچه برخی از دانشمندان علوم اعصاب بر این باور بودند که سیناپس‌های خاموش ممکن است تا بزرگسالی باقی بمانند و به شکل‌گیری خاطرات جدید کمک کنند. نمونه این امر در مدل‌های حیوانی اعتیاد دیده شده است، که تصور می‌شود تا حد زیادی اختلال در یادگیری باشد.

کار تئوری‌ای که در این زمینه توسط استفانو فوسی و لاری آبوت از دانشگاه کلمبیا انجام شده است، مبنی بر این است که نورون‌ها باید با انعطاف‌پذیری، نقش‌های متفاوت گسترده‌ای را بازی کنند تا نشان دهند که مغز چطور می‌تواند هم به طور موثری چیز‌های جدید را یاد بگیرد و هم آن‌ها را در حافظه بلند مدت خود حفظ کند. با این تفاسیر بعضی از سیناپس‌ها باید تکثیر و یا اصلاح شوند تا بتوانند خاطرات جدید را شکل دهند، و برخی از آن‌ها باید پایدارتر باقی بمانند تا بتوانند خاطرات طولانی مدت را حفظ کنند.

در این مطالعه جدید، تیم MIT به طور خاص به دنبال سیناپس‌های خاموش نبودند. آن‌ها در حال پیگیری یک یافته جالب از مطالعات قبلی در آزمایشگاه هارنت بودند. در آن مقاله محققان نشان دادند که دندریت‌های درون یک نورون (دندریت به دنباله آنتن مانندی گفته می‌شود که از نورون‌ها بیرون زده‌اند) می‌توانند ورودی سیناپس‌ها را، با توجه به موقعیت قرارگیری‌شان، به روش‌های مختلف پردازش کنند.

به عنوان بخشی از این مطالعه، محققان سعی کردند تا گیرنده‌های انتقال‌دهنده عصبی را در شاخه‌های دندریتیک مختلف اندازه‌گیری کنند تا ببیند آیا این می‌تواند توضیحی برای تفاوت در رفتار آن‌ها باشد یا خیر. برای این کار آن‌ها از تکنیکی با نام eMAP (epitope-preserving Magnified Analysis of the Proteome) استفاده کردند که توسط چانگ ایجاد شده بود. محققان توانستند با استفاده از این تکنیک، بطور فیزیکی نمونه بافتی را ایجاد کرده و سپس پروتئین‌های خاصی را در این نمونه برچسب گذاری کنند؛ و این امکان را ایجاد کردند تا عکس‌ها و تصاویری با وضوح بسیار بالا به دست آورند.

آن‌ها در حین انجام تصویربرداری به یک کشف شگفت‌انگیز دست یافتند. هارنت می‌گوید: «اولین چیزی که فوق‌العاده عجیب بود و انتظارش را نداشتیم، این بود که فیلوپودیا‌ها همه جا وجود داشتند.»

فیلوپودیا‌ها که برآمدگی‌های غشایی نازکی هستند که از دندریت‌ها امتداد می‌یابند، قبلا دیده شده بودند. اما دانشمندان علوم اعصاب نمی‌دانستند که آن‌ها دقیقا چه کاری انجام می‌دهند. علت این موضوع تا حدی به این خاطر است که فیلوپودیا‌ها آنقدر کوچک هستند که دیدن آن‌ها با استفاده از تکنیک‌های تصویربرداری قدیمی بسیار کار سختی بوده است.

پس از این مشاهدات، تیم MIT سعی کرد تا فیلوپودیا‌ها را در سایر بخش‌های مغز بزرگسالان بیابد. در کمال تعجب آن‌ها فیلوپودیا را در قشر بینایی موش‌ها و سایر بخش‌های مغز، و ۱۰ برابر بیشتر از آنچه قبلا دیده بودند، پیدا کردند. همچنین آن‌ها دریافتند که فیلوپودیا‌ها دارای گیرنده‌های انتقال دهنده عصبی با نام گیرنده‌های NMDA هستند، اما گیرنده‌های AMPA ندارند.

یک سیناپس فعال معمولی دارای هر دو نوع گیرنده‌هایی است که انتقال دهنده‌های عصبی گلوتامات را به هم متصل می‌کند. گیرنده‌های NMDA به طور معمول برای ارسال سیگنال به گیرنده‌های AMPA نیاز دارند، زیرا گیرنده‌های NMDA توسط یون‌های منیزیم در حالت پتانسیل استراحت طبیعی نورون‌ها مسدود می‌شوند؛ بنابراین زمانی که گیرنده‌های AMPA حضور ندارند، سیناپس‌هایی که فقط گیرنده NMDA دارند نمی‌توانند با جریان الکتریکی عبور کنند و به این جهت عنوان «خاموش» را به آن‌ها می‌دهند.

شکسته شدن سکوت سیناپس‌ها

محققان برای بررسی اینکه آیا این فیلوپودیا‌ها ممکن است سیناپس‌های خاموش باشند از نسخه اصلاح شده یک تکنیک آزمایشی با نام patch clamping استفاده کردند. این کار به آن‌ها اجازه داد تا فعالیت الکتریکی تولید شده در فیلوپودیا‌های منفرد را نظاره کنند؛ و این در حالی بود که آن‌ها تلاش می‌کردند تا با تقلید از آزاد شدن انتقال‌دهنده‌های عصبی گلوتامات از یک نورون در مجاورت خود، موجب تحریک آن‌ها شوند.

با استفاده از این تکنیک محققان دریافتند که گلوتامات هیچ سیگنال الکتریکی را در فیلوپودیوم دریافت کننده ورودی تولید نمی‌کند، مگر اینکه گیرنده‌های NMDA به طور آزمایشی بسته نشده باشند. به گفته محققان، این تاییدی قوی بر این نظریه است که فیلوپودیا نشان‌دهنده سیناپس‌های خاموش در مغز هستند.

همچنین محققان نشان دادند که می‌توانند سکوت این سیناپس‌ها را با ترکیب گلوتامات آزاد شده با جریان الکتریکی که از بدنه یک نورون می‌آید، بشکنند. این تحریک ترکیب شده منجر به تجمع گیرنده‌های AMPA در سیناپس خاموش می‌شود و به آن اجازه می‌دهد تا ارتباطی قوی با آکسون مجاور خود که باعث رهاسازی گلوتامات می‌شود ایجاد کند. محققان متوجه شدند که تبدیل سیناپس‌های خاموش به سیناپس‌های فعال بسیار ساده‌تر از تغییر سیناپس‌های بالغ است.

هارنت می‌گوید: «اگر با سیناپسی که قبلا فعال شده شروع به کار کنید، پروتکل انعطاف پذیری کار نخواهد کرد. سیناپس‌ها در مغز بزرگسالان دامنه بیشتری دارند، و احتمالا به این دلیل است که شما می‌خواهید آن خاطرات کاملا قابلیت بازیابی داشته باشند، و نمی‌خواهید آن‌ها دائما بازنویسی شوند. از سوی دیگر، فیلوپودیا را می‌توان برای شکل دادن به خاطرات جدید به کار گرفت.

انعطاف‌پذیر و قوی

محققان می‌گویند: این یافته‌ها، نظریات ارائه شده توسط ابوت و فوسی را تایید می‌کند. آن‌ها باور داشتند که مغز بزرگسالان شامل سیناپس‌های پلاستیسیته هستند که می‌توانند در ایجاد خاطرات جدید به کار گرفته شوند. هارنت می‌گوید: «تا جایی که من می‌دانم در این مقاله ارائه شده، اولین شواهد واقعی وجود دارند که نشان می‌دهند مغز پستانداران چگونه کار می‌کند. فیلوپودیا به سیستم حافظه اجازه می‌دهد تا هم منعطف باشد و هم قوی. شما به انعطاف نیاز دارید تا اطلاعات جدید کسب کنید و به ثبات نیاز دارید تا اطلاعات مهم را حفظ کنید.»

در حال حاضر محققان به دنبال شواهدی از این سیناپس‌های خاموش در بافت مغز انسان می‌گردند. همچنین امیدوارند که این تحقیقات مشخص کند که آیا تعداد یا عملکرد این سیناپس‌ها تحت تاثیر عواملی نظیر پیری یا بیماری‌های عصبی قرار می‌گیرد یا خیر.

هارنت می‌گوید: «این امکان کاملا وجود دارد که با تغییر میزان انعطاف‌پذیری که شما در سیستم حافظه خود دارید، تغییر رفتار‌ها و عادت‌ها یا ترکیب اطلاعات جدید بسیار سخت‌تر شود. همچنین می‌توانید تصور کنید که با پیدا کردن برخی از عاملان مولکولی که در فیلوپودیا دخیل هستند و دستکاری بعضی از چیزها، بتوانید با افزایش سن حافظه انعطاف‌پذیر را بازگردانید.»