دانشمندان علوم اعصاب MIT کشف کردهاند که مغز بالغ حاوی میلیونها “سیناپس ساکت” است – ارتباطات نابالغ بین نورونها که تا زمانی که برای کمک به شکلگیری خاطرات جدید به کار گرفته شوند، غیرفعال میمانند.
تا به حال، اعتقاد بر این بود که سیناپس های ساکت فقط در مراحل اولیه رشد وجود دارند، زمانی که به مغز کمک می کنند اطلاعات جدیدی را که در اوایل زندگی در معرض آنها قرار می گیرد، یاد بگیرد. با این حال، مطالعه جدید MIT نشان داد که در موش های بالغ، حدود 30 درصد از تمام سیناپس ها در قشر مغز ساکت هستند.
به گفته محققان، وجود این سیناپسهای ساکت ممکن است به توضیح این که چگونه مغز بزرگسال میتواند به طور مداوم خاطرات جدید و یادگیری چیزهای جدید را بدون نیاز به تغییر سیناپسهای معمولی موجود، ایجاد کند، کمک کند.
“این سیناپس های ساکت به دنبال اتصالات جدید هستند و زمانی که اطلاعات مهم جدید ارائه می شود، ارتباطات بین نورون های مربوطه تقویت می شود. این به مغز اجازه می دهد تا خاطرات جدیدی را بدون بازنویسی خاطرات مهم ذخیره شده در سیناپس های بالغ که تغییر آنها سخت تر است ایجاد کند.” دیمیترا واردالاکی، دانشجوی کارشناسی ارشد MIT و نویسنده اصلی مطالعه جدید می گوید.
یک کشف شگفت انگیز
هنگامی که دانشمندان برای اولین بار سیناپس های ساکت را دهه ها پیش کشف کردند، این سیناپس ها عمدتاً در مغز موش های جوان و سایر حیوانات دیده می شد. 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 آن 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 پیشنهاد کرده اند که سیناپس های ساکت ممکن است تا بزرگسالی باقی بمانند و به شکل گیری خاطرات جدید کمک کنند. شواهدی برای این امر در مدل های حیوانی اعتیاد دیده شده است، که تصور می شود تا حد زیادی یک اختلال یادگیری ناهنجار است.
کار نظری در این زمینه از استفانو فوسی و لری ابوت از دانشگاه کلمبیا نیز پیشنهاد کرده است 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 سناریو، برخی از سیناپس ها باید به راحتی ایجاد یا اصلاح شوند تا خاطرات جدید را تشکیل دهند، در حالی که برخی دیگر باید بسیار پایدارتر باقی بمانند تا خاطرات طولانی مدت حفظ شود.
در مطالعه جدید، تیم MIT به طور خاص به دنبال سیناپس های ساکت نبود. در عوض، آنها در حال پیگیری یک یافته جالب از یک مطالعه قبلی در آزمایشگاه هارنت بودند. در آن مقاله، محققان نشان دادند که در درون یک نورون واحد، دندریتها میتوانند ورودی سیناپسی را بسته به مکانشان به روشهای مختلفی پردازش کنند.
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 عمل به توضیح تفاوت در رفتار آنها کمک می کند یا خیر. برای انجام این کار، آنها از تکنیکی به نام eMAP (تحلیل بزرگنمایی پروتئوم با حفظ اپی توپ) استفاده کردند که توسط چانگ توسعه داده شد. با استفاده از این تکنیک، محققان میتوانند به طور فیزیکی یک نمونه بافت را گسترش دهند و سپس پروتئینهای خاصی را در نمونه برچسبگذاری کنند و به این ترتیب امکان دستیابی به تصاویر با وضوح فوقالعاده بالا فراهم شود.
در حالی که آنها در حال انجام آن 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، برآمدگیهای غشایی نازک که از دندریتها امتداد مییابند، قبلاً دیده شده بود، اما دانشمندان علوم اعصاب دقیقاً نمیدانستند که چه میکنند. این 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 فیلوپودیا را در سایر بخش های مغز بالغ پیدا کند. با استفاده از تکنیک eMAP. در کمال تعجب، آنها فیلوپودیا را در قشر بینایی موش و سایر بخشهای مغز، در سطحی 10 برابر بیشتر از آنچه قبلاً دیده بودند، یافتند. آنها همچنین دریافتند که فیلوپودیا دارای گیرنده های انتقال دهنده عصبی به نام گیرنده های NMDA است، اما گیرنده های AMPA ندارد.
یک سیناپس فعال معمولی هر دوی این گیرنده ها را دارد ،که به انتقال دهنده عصبی گلوتامات متصل می شوند. 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، هنگامی که گیرنده های AMPA وجود ندارند، سیناپس هایی که فقط گیرنده های NMDA دارند نمی توانند در طول جریان الکتریکی عبور کنند و به آن ها عنوان “ساکت” نسبت داده می شود.
روشن سازی سیناپس ها
برای بررسی اینکه آیا این فیلوپودیا ممکن است سیناپس های ساکت باشند یا خیر، محققان از نسخه اصلاح شده یک روش آزمایشی به نام چسباندن پچ ( patch clamping) استفاده کردند. این روش به محققان اجازه داد تا به فعالیت الکتریکی تولید شده در فیلوپودیا های منفرد، در حالی که تلاش میکردند آن ها را به تقلید آزادسازی انتقالدهنده عصبی گلوتامات از یک نورون مجاور آنها را تحریک کنند، نظارت کنند.
با استفاده از این روش، محققان دریافتند که گلوتامات هیچ سیگنال الکتریکی را در فیلوپودیوم دریافت کننده ورودی تولید نمی کند، مگر اینکه گیرنده های NMDA به صورت آزمایشی از حالت انسداد خارج شده باشند. محققان می گویند که این حمایت قوی از این نظریه است که فیلوپودیا نشان دهنده سیناپس های ساکت در مغز است.
محققان همچنین نشان دادند که میتوانند این سیناپسها را با ترکیب آزادسازی گلوتامات با جریان الکتریکی که از بدن نورون میآید، روشن کنند. این تحریک ترکیبی منجر به تجمع گیرنده های AMPA در سیناپس ساکت می شود و به آن اجازه می دهد تا ارتباط قوی با آکسون مجاور که گلوتامات را آزاد می کند ایجاد کنند.
محققان دریافتند که تبدیل سیناپس های ساکت به سیناپس های فعال بسیار ساده تر از تغییر سیناپس های بالغ بود.
هارنت می گوید: «اگر با یک سیناپس از قبل کارکرده شروع کنید، آن پروتکل پلاستیسیته کار نمی کند. سیناپسها در مغز بزرگسالان آستانه بسیار بالاتری دارند، احتمالاً به این دلیل که میخواهید آن خاطرات بسیار مقاوم باشند. از سوی دیگر، فیلوپدیا را می توان برای شکل دادن به خاطرات جدید به کار گرفت.
محققان میگویند این یافتهها از نظریه ارائهشده توسط ابوت و فوسی حمایت میکند که مغز بالغ شامل سیناپسهای بسیار انعطاف پذیر است که میتوانند برای ایجاد خاطرات جدید به کار گرفته شوند.