افشای راز عملکرد یکی از نواحی مهم مغز

محققان "موسسه تحقیقات عصبی جان و دان دانکن" (Duncan NRI) آمریکا در مطالعه اخیرشان عملکرد جدید یکی از نواحی کلیدی قشر مغز را کشف کردند.

به گزارش ایسنا به نقل از تی ان، یک سوال قدیمی در حوزه علوم اعصاب این است که چگونه مغز پستانداران (از جمله مغز ما) با محیط ها، اطلاعات و تجربیات خارجی سازگار می شود. در یک مطالعه جابجایی پارادایم (paradigm- shifting study) که در مجله "نیچر" (Nature) منتشر شده است، محققان مؤسسه تحقیقات عصبی جان و دان دانکن (Duncan NRI) در بیمارستان کودکان تگزاس و کالج پزشکی بیلور، مراحل مکانیکی زیربنای نوع جدیدی از شکل پذیری پلاستیسیته (synaptic plasticity) به نام پلاستیسیته سیناپسی مقیاس زمانی رفتاری (BTSP) را کشف کرده اند.

جابه جایی پارادایم (Paradigm Shift) غالبا به تغییر اساسی و پارادایمی در تفکر و الگوهای ذهنی اندیشیدن اطلاق می گردد که در نهایت مبنای خرد و کلان یک دیدگاه را متحول می کند.

این مطالعه که توسط دکتر "جفری مگی" (Jeffrey Magee)، پروفسور کالج پزشکی بیلور هدایت می شود، نشان می دهد که چگونه قشر آنتورینال (EC) مغز سیگنال های آموزنده ای را به هیپوکامپ (ناحیه ای در مغز که برای ناوبری فضایی مهم است) ارسال می کند و حافظه را رمزگذاری کرده و آنرا تثبیت می کند و آن را هدایت می کند تا مکان و فعالیت زیرمجموعه خاصی از نورون های خود را بطور خاص مجددا سازماندهی کند تا به رفتار تغییر یافته در پاسخ به محیط در حال تغییر و نشانه های فضایی دست یابد.

نورون ها با انتقال سیگنال های الکتریکی یا مواد شیمیایی از طریق اتصالاتی به نام سیناپس با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند. شکل پذیری پلاستیسیته به توانایی تطبیقی ​​این اتصالات عصبی برای قوی تر یا ضعیف تر شدن در طول زمان، به عنوان پاسخ مستقیم به تغییرات در محیط خارجی آن ها اشاره دارد. این توانایی تطبیقی ​​نورون های ما برای پاسخ سریع و دقیق به نشانه های خارجی برای بقا و رشد ما حیاتی است و پایه عصبی شیمیایی یادگیری و حافظه را تشکیل می دهد.

فعالیت مغز و رفتار حیوان به سرعت در پاسخ به تغییرات فضایی سازگار می شود

برای شناسایی مکانیسمی که زیربنای ظرفیت مغز پستانداران برای یادگیری تطبیقی ​​است، دکتر "کریستین گرینبرگر" (Christine Grienberger) یکی از محققان این مطالعه، فعالیت گروه خاصی از سلول های مکانی را که نورون های تخصصی هیپوکامپ هستند و وظیفه ساخت و به روز رسانی نقشه از محیط های خارجی را بر عهده دارند، اندازه‌گیری کرد. او یک میکروسکوپ قدرتمند را به مغز این موش ها متصل کرد و فعالیت این سلول ها را در حالی که موش ها روی تردمیل می دویدند اندازه گیری کرد.

دکتر گرینبرگر گفت:در مرحله اولیه، موش ها با این مجموعه آزمایشی سازگار شدند و حالت پاداش (آب قند) در هر دور تغییر می کرد. در این مرحله، موش ها بطور مداوم با همان سرعت می دویدند در حالی که به طور مداوم مسیر را می لیسیدند. این به این معنی است که سلول های مکانی در این موش ها یک الگوی کاشی کاری یکنواخت را تشکیل می دهند.

در مرحله بعدی، او پاداش را در یک مکان خاص در مسیر همراه با چند نشانه بصری برای جهت دهی موش ها قرار داد و فعالیت همان گروه از نورون ها را اندازه گیری کرد.

گرینبرگر گفت: من دیدم که تغییر مکان پاداش، رفتار این حیوانات را تغییر داد. موش ها اکنون برای مدت کوتاهی قبل از مکان پاداش، سرعت خود را کاهش دادند تا آب قند را بچشند و جالب تر اینکه این تغییر رفتار با افزایش تراکم و فعالیت سلول های مکانی در اطراف مکان پاداش همراه بود. این نشان داد که تغییرات در نشانه های فضایی می تواند به سازماندهی مجدد و فعالیت نورون های هیپوکامپ منجر شود.

این پارادایم تجربی به محققان این امکان را داد تا بررسی کنند که چگونه تغییرات در نشانه های فضایی، مغز پستانداران را برای برانگیختن رفتارهای سازگارانه جدید شکل می دهد.

برای بیش از ۷۰ سال، نظریه هبیان (Hebbian theory) که به طور محاوره ای بعنوان  "نورون هایی که با هم شلیک می کنند و به هم متصل میشوند" خلاصه می شود، بطور منحصر به فردی بر دیدگاه دانشمندان علوم اعصاب در مورد چگونگی قوی تر یا ضعیف شدن سیناپس ها در طول زمان تسلط داشت. در حالی که این نظریه، اساس پیشرفت های متعدد در زمینه علوم اعصاب است اما دارای محدودیت هایی نیز است. در سال ۲۰۱۷، محققان این مطالعه نوع جدید و قدرتمندی از شکل پذیری پلاستیسیته (پلاستیسیته سیناپسی مقیاس زمانی رفتاری) را کشف کردند که بر این محدودیت ها غلبه کرده و مدلی را ارائه می دهد که به بهترین وجه از مقیاس زمانی نحوه یادگیری یا یادآوری رویدادهای مرتبط در زندگی واقعی را تقلید می کند.

با استفاده از پارادایم آزمایشی جدید، دکتر گرینبرگر مشاهده کرد که در مرحله دوم، نورون های مکانی سلولی که قبلا ساکت بودند، پس از تعیین مکان پاداش، به طور ناگهانی میدان های مکانی بزرگی را در یک دور به دست آوردند. این یافته با شکل غیرهبیان شکل پذیری و یادگیری سیناپسی مطابقت دارد. آزمایش های اضافی تایید کرد که تغییرات تطبیقی ​​مشاهده شده در سلول های مکانی هیپوکامپ و در رفتار این موش ها در واقع به دلیل پلاستیسیته سیناپسی مقیاس زمانی رفتاری رخ می دهد.

قشر آنتورینالبه سلول های مکانی هیپوکامپ آموزش می دهد که چگونه به تغییرات فضایی واکنش نشان دهند

محققان براساس مطالعات قبلی خود، می دانستند که پلاستیسیته سیناپسی مقیاس زمانی رفتاری شامل یک سیگنال آموزشی/نظارتی است که لزوماً در داخل یا در مجاورت نورون های هدف (در این مورد ، سلول های مکانی هیپوکامپ) که فعال می شوند قرار نمی گیرد. برای شناسایی منشا این سیگنال آموزنده، آنها برآمدگی های آکسونی را از ناحیه مغز نزدیک به نام قشر انتورینال (EC) مطالعه کردند که هیپوکامپ را عصب دار می کند و به عنوان دروازه ای بین هیپوکامپ و نواحی نئوکورتیکال عمل می کند که فرآیندهای مدیریت/تصمیم گیری بالاتر را کنترل می کند.

دکتر مگی گفت: ما دریافتیم که وقتی به طور خاص زیرمجموعه ای از آکسون های قشر آنتورینال که نورون های هیپوکامپ CA۱ را که ما از آنها ضبط می کردیم عصب دار می کردند را مهار کردیم، از توسعه بیش از حد پاداش CA۱ در مغز جلوگیری کردیم.

براساس چندین خط تحقیقات، آن ها به این نتیجه رسیدند که قشر آنتورینال یک سیگنال آموزشی هدف دار نسبتا ثابت را ارائه می دهد که هیپوکامپ را برای سازماندهی مجدد مکان و فعالیت سلول های مکانی هدایت می کند که به نوبه خود بر رفتار حیوان تاثیر می گذارد.

دکتر مگی افزود: کشف اینکه یک بخش از مغز (انتورینال) می تواند ناحیه دیگری از مغز (هیپوکامپ) را برای تغییر مکان و فعالیت نورون های آن (سلول های مکان) هدایت کند، یک یافته فوق العاده بزرگ در علوم اعصاب است. این به طور کامل دیدگاه ما را در مورد چگونگی رخ دادن تغییرات وابسته به یادگیری در مغز تغییر می دهد و حوزه های جدیدی از احتمالات را آشکار می کند که نحوه برخورد ما با اختلالات عصبی را در آینده تغییر خواهد داد و ما را راهنمایی خواهد کرد.