بیش از ۱۰۰ سال پیش، برنده جایزه نوبل، رامون ای کاخال، برای اولین بار ساختارهایی را در سطح سلول های مغزی معرفی کرد که امروزه آن ها را خارهای دندریتی می نامیم.
از آن زمان دانشمندان در تلاشند تا این ساختارهای سلولی را بهتر بشناسند. ما همچنان در تلاشیم تا به این سوال پاسخ دهیم که دندریت ها چه نقشی در کارکردهای مغز ایفا می کنند؟ با توجه به اندازه بسیار ریز این ساختارها، متاسفانه حتی با جدیدترین فناوری ها نیز، تحقیق در مورد خارهای دندریتی بسیار دشوار است. اندازه یک خار دندریتی حدود ۰.۰۰۰۱ میلی متر است. در سطح اکثر سلول های عصبی مغز، هزاران خار دندریتی وجود دارد.
شکل و اندازه خارهای دندریتی به سرعت تغییر می کند. از این رو، محققان پیشنهاد کرده اند که این ساختارها در ایجاد و ذخیره خاطرات نقش دارند. مطالعات زیادی نشان می دهد که شکل گیری حافظه بر اندازه، شکل و تعداد خارهای دندریتی تاثیر می گذارد. مطالعات دیگری نشان می دهد جلوگیری از تغییر خارهای دندریتی می تواند مانع شکل گیری خاطرات شود. فرضیه اثربخشی خارهای دندریتی در شکل گیری حافظه، بر اساس همین پژوهش ها مطرح شده است. با این حال، هنوز راه درازی در پیش است تا بتوانیم دقیقاً محل نگهداری خاطرات در مغز را شناسایی کنیم. مطالعات آینده ممکن است به ما در پاسخ به این معمای جذاب کمک کند. در این مقاله به بررسی نقش دندریت ها در شکل گیری حافظه می پردازیم.
***
حدود ۱۳۰ سال پیش، میکروسکوپهای قدرتمندی ساخته شد که به محققان اجازه داد واحدهای سازنده مغز یا نورون ها را ببیند. در آن زمان، محقق اسپانیایی، رامان کاخال، کشف کرد غشا بیرونی نورون های مغزی برخلاف تصور قبلی دانشمندان صاف نیست. او کشف کرد که نورون های مغزی هزاران برآمدگی کوچک دارند که همانطور که پیش تر ذکر شد؛ طول هر کدام به حدود ۰.۰۰۰۱ میلی متر می رسد. امروزه، به این برآمدگی های کوچک، خارهای دندریتی می گویند. کاخال با این کشف در سال ۱۹۰۶، جایزه نوبل فیزیولوژی را از آن خود کرد. از آن زمان، ما چیزهای زیادی در مورد خارهای دندریتی آموخته ایم. از جمله اینکه به نظر می رسد میان شکل گیری حافظه و دندریت ها ارتباط وجود دارد.
خار دندریتی چیست؟
بیایید خارهای دندریتی را توصیف کنیم. خارهای دندریتی تقریبا شبیه قارچ هستند! قارچ هایی با سر بزرگ و گردن نازک. سر دندریت امکان تبادل اطلاعات نورون ها با یکدیگر را فراهم می کند. در ناحیه سر خار دندریتی، گیرنده هایی قرار گرفته است تا انتقال دهنده های عصبی به آن متصل شوند. اتصال انتقال دهنده های عصبی به گیرنده های دندریتی باعث انتقال پیام بین نورون ها می شود.
زیرنویس شکل:
ساختار یک نورون. اندازه جسم سلولی (پایین سمت چپ) حدود یک چهلم میلی متر است. از جسم سلولی، انشعابات نورونی می کند که به آن ها دندریت می گوییم. ( شکل سمت راست- این تصویر بزرگنمایی شده بخشی از سلول سمت چپ است). در امتداد دندریت ها، ساختارهای کوچک قارچ شکلی وجود دارد که به آنها خارهای دندریتی می گوییم. اندازه هر خار دندریتی یک هزارم میلی متر است.
ناحیه گردن خارهای دندریتی می تواند بسیار نازک باشد. ضخامتی حدود ۰.۱ ضخامت سر یا تقریبا یک دوهزارم میلی متر. یکی از وظایف گردن حفظ رابطه بین نورون و سایر سلول های شبکه ی عصبی است. شبکه عصبی، مجموعه ای از نورون ها است که به طور شبکه ای به هم متصل هستند. یک شبکه عصبی، اطلاعات را از شبکه های دیگر دریافت کرده، آن را اصلاح می کند و سپس به شبکه های عصبی دیگر می فرستد. یک شبکه می تواند شامل ده ها تا میلیون ها نورون باشد که با تنظیم حرکت مواد در داخل و خارج از سر خار دندریتی، اطلاعات را در ناحیه خاصی از مغز به اشتراک می گذارند. در نتیجه این تنظیم، نورون، شیوه پاسخدهی خود را به محرک ها تغییر می دهد. بر اساس یک تخمین، بین ۳۰۰ تا ۴۰۰ نوع ماده مختلف از طریق گردن به خار دندریتی وارد و خارج می شوند. جابه جایی مواد می تواند در مدت زمان بسیار کوتاهی انجام شود. حرکت برخی از این مواد را می توان با ابزارهای مولکولی یا با داروهای خاصی کنترل کرد. کنترل عبور مواد از گردن خار دندریتی، اندازه و شکل خار دندریتی را تغییر می دهد. علاوه بر تغییر عبور و مرور مواد، دانشمندان تمایل دارند سیگنال های الکتریکی منتشر شده در خارها را نیز تغییر دهند. اما به دلیل اندازه کوچک خارها، روش هایی که امروزه در دسترس است به ما امکان این بررسی را نمی دهد. دشواری اندازه گیری، امکان تعیین نقش گردن در انتقال پیام از سر خار دندریتی به نورون را برای دانشمندان مشکل کرده است.
کلسیم یکی از مواد مهمی است که به مقدار کم در خارهای دندریتی یافت می شود. یکی از نقش های کلسیم در نورون ها، فعال کردن آنزیم است. (آنزیم، مولکول بیولوژیکی است که که انجام واکنش ها را آسان تر می کند) آنزیم هایی که توسط کلسیم فعال می شوند، در انتقال پیام عصبی از یک سلول به سلول دیگر نقش دارند. ابزارهای آزمایشگاهی پیچیده ای وجود دارد که به ما امکان می دهد میزان دقیق کلسیم را در نورون ها و خارهای دندریتی اندازه گیری کنیم. نتایج این اندازه گیری ها به ما کمک می کند تا نحوه ارتباط سر و گردن خارهای دندریتی را بهتر بشناسیم. این ابزارها کمک می کند تصویر نسبتا دقیقی از نحوه تغییر شکل و عملکرد خارهای دندریتی بدست آوریم.
نقش خار دندریتی در یادگیری و حافظه
چرا فکر می کنیم میان حافظه و خارهای دندریتی ارتباطی وجود دارد؟
برای درک ارتباط بین حافظه و خارهای دندریتی باید ابتدا پدیده تقویت و تضعیف پایدار را در سیناپس ها بشناسیم.
سیناپس بین دو نورون فرضی (الف) و (ب) را تصور کنید. نورون (الف)، نورون پیش سیناپسی است و با آزاد کردن انتقال دهنده عصبی در فضای سیناپسی، نورون پس سیناسی (ب) را تحریک می کند. اگر مسیر انتقال پیام، از نورون الف به نورون ب به طور متعدد استفاده شود، سلول ها تلاش می کنند تا این ارتباط عصبی را بهینه کنند. چگونه؟ ممکن است سلول پس سیناپسی با افزایش خارهای دندریتی یا بزرگتر کردن آنها، گیرنده های بیشتری در سطح غشا خود قرار دهد یا سلول پیش سیناپسی، تعداد وزیکول های دارای ناقلین عصبی خود را افزایش دهد. به این ترتیب در تقویت پایدار یا تقویت طولانی مدت (Long Term Potentiation/LTP) ارتباط بین دو سلول تقویت می شود. با تقویت سیناپس، قدرت پاسخ سلول پس سیناپسی به تحریک افزایش می یابد. در مقابل، اگر سیناپس نورون های (الف) و (ب) به ندرت مورد استفاده قرار بگیرد، سلول ها، این ارتباط عصبی را تضعیف می کنند. مثلا خارهای دندریتی کوچکتر می شوند یا تعداد گیرنده های سطح سلول پس سیناپسی کاهش می یابد. به این پدیده تضعیف پایدار یا افسردگی طولانی مدت(Long Term Depression/LTD) می گوییم.
تحریک الکتریکی باعث ایجاد پدیده ی تقویت طولانی مدت می شود. در پژوهش های مختلف، محققان خارهای دندریتی موش های آزمایشگاهی را قبل و بعد از قرار گرفتن در معرض تحریک الکتریکی بررسی کرده اند. به نظر می رسد این ساختارهای سلولی در پاسخ به تحریک الکتریکی تغییر می کنند. هنگامی که محققان یک خار دندریتی که در معرض تحریک الکتریکی قرار داشت را بررسی کردند، متوجه شدند در کسری از ثانیه، سیل عظیمی از یون های کلسیمی به خار دندریتی وارد می شود. در نتیجه، سر خار دندریتی می تواند تا ۳ یا ۴ برابر اندازه اصلی خود متورم گردد. در مراحل بعدی، در فرآیندی که از چند دقیقه تا چند ساعت طول می کشد، نورون ممکن است تعداد خارهای دندریتی خود را افزایش دهد. این خارهای جدید باعث ایجاد ارتباط قوی تری بین سلول ها می شوند.
زیرنویس شکل:
خارهای دندریتی به دنبال تحریک الکتریکی تغییر می کنند.
(الف) قبل از اعمال تحریک الکتریکی روی نورون پیش سیناپسی (آبی)، خارهای دندریتی در حالتی آرام و متعادل وجود دارند.
(ب) به دنبال تحریک الکتریکی به نورون آبی، پدیدهای به نام تقویت طولانیمدت (LTP) در خارهای دندریتی رخ میدهد که باعث میشود سر خارهای دندریتی در ابتدا منبسط شود و اندازه غشای آنها افزایش یابد. هم چنین ممکن است سلول خارهای دندریتی جدیدی بسازد.
(ج) در یک فرآیند مخالف، جایی که سلول پیش سیناپسی از فعالیت باز می ایستد، فرآیندی به نام افسردگی طولانی مدت (LTD) رخ می دهد. LTD باعث از بین رفتن خارهای غیرفعال می شود که به آن هرس سیناپسی می گوییم.
در طی ۵۰ سال گذشته، LTP در هزاران آزمایش در مورد کل مغز، برشهای مغزی و سلولهای مغزی رشد یافته آزمایشگاهی، مورد مطالعه قرار گرفته است. به طور خلاصه، این آزمایشات نشان می دهد که مغز از مکانیسمی شبیه LTP برای تولید حافظه استفاده می کند و اگر این مکانیسم غیرفعال شود، حافظه از بین می رود.
شکل گیری حافظه نیازمند تقویت پایدار است و یکی از مکانیسم های تقویت پایدار یا طولانی مدت، افزایش تعداد یا اندازه خارهای دندریتی است. بنابراین می توان استدلال کرد خارهای دندریتی در شکل گیری حافظه نقش ایفا می کنند. به عبارت دیگر، در مغز، یادگیری و حافظه به کمک تغییر در قدرت پاسخ دهی خارهای دندریتی و یا ایجاد خارهای جدید صورت می گیرد.
خارهای دندریتی، مشکلات حافظه و افزایش سن
یک راه دیگر برای مطالعه رابطه حافظه و خارهای دندریتی، بررسی چگونگی تغییر خارهای دندریتی در جاندار بالغ با افزایش سن است. همانطور که می دانیم، با افزایش سن انسان های بالغ، حافظه به تدریج کاهش می یابد. این روند برای همه با یک کیفیت اتفاق نمی افتد. برخی از افراد مسن کاهش شدید حافظه را تجربه می کنند؛ در حالی که برخی دیگر فقط علائم خفیفی از اختلال حافظه دارند. ضعف در توانمندی های مغزی مانند حافظه در زمان پیری را زوال شناختی یا دمانس می گویند. دمانس علاوه بر انسان، در حیوانات آزمایشگاهی نیز مطالعه شده است. پژوهش ها میان زوال شناختی و تعداد خارهای دندریتی ارتباط نشان می دهد. یعنی با افزایش سن موش ها، حافظه آسیب می بیند و خارهای دندریتی نیز کاهش می یابند. هرچه اختلال حافظه شدیدتر باشد، تعداد خارهای دندریتی نیز کمتر خواهد بود. باید دقت کنیم این یافته های دانشمندان صرفا بیانگر هم بستگی است و ارزش علّی ندارد ( یعنی نمی توانیم بگوییم کمتر شدن تعداد خارهای دندریتی علت زوال شناختی است. فقط می توان نتیجه گرفت این دو پدیده همزمان روی می دهند و ممکن است با هم ارتباط داشته باشند.)
خارهای دندریتی و بیماری های مغزی
زمینه دیگری که در آن پیشرفت های جالبی در مطالعه خارهای دندریتی حاصل شده است، حوزه بیماری های سیستم عصبی است. مثلا مطالعات روی مغز بیماران مبتلا به سندروم X شکننده نتایج قابل توجهی داشته است. این بیماران درجات مختلفی از ناتوانی ذهنی و اختلالات ارتباطی را تجربه می کنند. به نظر می رسد در مغز این افراد، خارهای دندریتی رشد کاملی ندارند.
جمع بندی
درک ساختار و عملکرد خارهای دندریتی در مغز بسیار چالش برانگیز است. در هر نورون ده ها هزار خار دندریتی وجود دارد که اندازه کوچک آنها، دسترسی به آنها را دشوار می کند. از طرفی انواع مختلفی از خارهای دندریتی وجود دارد که نقش منحصر به فرد آنها مشخص نیست.
فراتر از آن، یک سوال بزرگ و بدون پاسخ در مورد «واحد» حافظه در مغز و نحوه عملکرد آن وجود دارد: یک خاطره منفرد درون یک خار دندریتی ذخیره می شود؟ یک سلول عصبی مسئول نگهداری آن است؟ یا حداقل یک شبکه عصبی برای حفظ یک خاطره ضروری است؟ هنوز نمی توانیم به این سوال پاسخ دهیم. محققان تنها زمانی قادر به پاسخگویی به این سوال خواهند بود که بتوانند حافظه خاصی (مثلاً حرف الف) را در مغز بیابند. به خارهای دندریتی(سطح اول) /سلول (سطح دوم) /شبکه عصبی (سطح سوم) آسیب بزنند و ببینند که آیا آن حافظه خاص از بین رفته است یا خیر. اگر بتوانیم نحوه ارتباط ساختار و عملکرد یک خار دندریتی با عملکرد کل مغز را درک کنیم، شاید بتوانیم خارهای دندریتی را برای بازیابی حافظه و درمان بیماریهای مرتبط با حافظه مانند بیماری آلزایمر ترمیم کنیم. نسل های آینده دانشمندان علوم اعصاب با این چالش ها روبرو خواهند شد. شاید شما یکی از آنها باشید!
مقاله بالا با در نظر گرفتن دانش شناختی نوجوانان ایرانی از این منبع ترجمه و بازنویسی شده است:
https://kids.frontiersin.org/articles/10.3389/frym.2023.1016978