ژن ها تاریخچه الگوی فعالیتی نورونهای مغزی را ضبط می کنند!

نوروسافاری | از سوختن کف دستتان در اثر تماس با دسته ی یک ظرف داغ، تا به یاد آوری بخشی از اطلاعات یا دانش خود، و “هر زمانی که شما در حال تجربه ی چیزی هستید، نورون های شما فعال هستند.” این بخشی از سخنان کلسی تیسوفسکی، یکی از دانشجویان تحصیلات تکمیلی ژنتیک در دانشکده پزشکی هاروارد است. 

به گزارش نوروسافاری از دانشگاه هاروارد، تجربیات مختلف باعث می شوند که سلول های مغزی با الگوهای متفاوتی تحریک شوند. دانشمندان قصد دارند تا این الگوهای فعالیتی را مورد مطالعه قرار دهند و دانش خود را در مورد چگونگی ادراک مغز از محیط پیرامون (جهان) افزایش دهند. در این مسیر آن ها با دو محدودیت اساسی مواجه بوده اند، اول طبیعت گذرا (موقتی) فعالیت های عصبی و دوم تعداد اندک نورون هایی که می توان همزمان آن ها را مورد مطالعه قرار داد (حداکثر چند هزار نورون از ۱۰۰ میلیارد).

مطالعه ی جدیدی که توسط تیسوفسکی، نیکولاس دی استیفانو و همکارانشان انجام شد، این نوید را به محققان میدهد که محدودیت های ذکر شده از سر راه برداشته خواهند شد. محققان با مطالعه ی نورون ها در ظروف و موش های آزمایشگاهی به این نتیجه رسیدند که بخش هایی از پیشینه ی فعالیت نورونی را می توان با بازسازی الگوی بیان ژنی درون آن ها آنالیز کرد (ژن هایی که به طور خاص در یک نورون فعال هستند). آن ها نتایج مطالعات خود را در ۱۹ آپریل سال جاری در ژورنال Neuron به چاپ رساندند.

به طور خاص محققان دریافتند که الگوی بیان ژن ها، نشان می دهند که یک نورون برای چه مدت زمانی، در پاسخ به یک محرک شلیک کرده است (فعالیت الکتریکی داشته است).

جسی گِرِی، استادیار ژنتیک دانشکده پزشکی هاروارد و یکی از نویسنده های ارشد این مقاله، اینگونه توضیح میدهد: “هر چه فعالیت یک نورون مدت زمان بیشتری ادامه پیدا کند، ژن های بیشتر توسط این فرآیند روشن می شوند (بیان می شوند).” سایر افرادی که در این مطالعه همکاری داشته اند عبارتند از رامندرا ساها از دانشگاه کالیفرنیا، مرسد و سرنا دودک از موسسه ی ملی علوم سلامت محیطی.

دکتر گری افزود: اندازه گیری بیان ژنی در تعداد زیادی نورون آسان تر از اندازه گیری فعالیت نورونی است، لذا محققان باید با برقراری ارتباط بین فعالیت نورونی و اندازه گیری بیان ژنی ” قادر باشند تا الگوی فعالیت ده ها هزار نورون را در یک آزمایش واحد تحلیل کنند.” در واقع این امر امید به انجام پژوهش های همه جانبه در مورد عملکرد مغز، و به خصوص نحوه ی شکل گیری حافظه، را افزایش می دهد.

آزمایشی که همه چیز را روشن کرد

تیسوفسکی اولین کشفیات خود را در آزمایشگاه گری و با استفاده از نورون های موجود در ظروف آزمایشگاهی انجام داد. همانطور که او در حال تحقیق بر روی ارتباط فعالیت نورونی و فعال شدن ژن بود، متوجه شد که اگر نورون را در معرض یک محرک کوتاه قرار دهد، ژن های پاسخگویی سریع فعال می شود و این در حالی بود که قرار دادن نورون در برابر یک محرک مدت دار و طولانی، هر دو دسته ی ژن های پاسخگویی سریع و کند را فعال می کرد.

دکتر گری اینطور بیان می کند: ” ظرافت و زیبایی خاصی در یافته های کلسی وجود دارد، که بیانگر سادگی موجود در طبیعت است. هر چه یک ژن سریعتر فعال شود، احتمال اینکه به وسیله ی یک فعالیت کوتاه فعال شود، بیشتر است. این یافته بسیار معنادار و مهم است اما ما تا کنون نمی دانستیم که این فرآیند اینگونه اتفاق می افتد.”

نتایج این پژوهش بسیار جذاب هستند، اما در اینجا سوال مهمی پیش می آید. تیسوفسکی می گوید: “سوال اینجاست که آیا این اتفاق در مغز واقعی هم رخ می دهد؟

جین هیونگ چو، یکی از محققان ژنتیک مشغول به کار در آزمایشگاه گری، تیسوفسکی و مارک اندرمن، دانشیار دانشکده پزشکی هاروارد و کریستا کارتی، تکنسین تحقیقاتی، همراه با هم یک تیم تشکیل دادند تا صحت این یافته ها را در موش نیز بررسی کنند. دانشمندان حاضر در این پژوهش، از یک روش آزمایشی استفاده کردند که در آن موش ها برای مدتی در مکان های بسیار تاریک قرار گرفتند تا مغز آن ها از ژن های بیان شده مرتبط با پاسخ به نور پاکسازی شود. سپس آن ها چراغ های نزدیک قفس را برای یا برای چند دقیقه یا برای مدت طولانی تر روشن کردند.

محققان فعالیت نورون های حساس به نور را در قشر بینایی موش ثبت کردند. قشر بینایی یا همان visual cortex بخشی از مغز است که بینایی را مدیریت می کند. محققان از نتایج به دست آمده ابراز خوشحالی کردند زیرا یافته های تیسوفسکی تایید شدند. در این آزمایش، قرار گرفتن کوتاه مدت در معرض نور، ژن های سریع در پاسخگویی را فعال کرده و تابش نور طولانی تر، باعث فعال شدن هر دو گروه ژن های سریع و کند در پاسخگویی شد.

با در نظر گرفتن این نتیجه ی پایدار، این سوال برای محققان پیش آمد که آیا می توان مدت زمان قرار گیری قبلی یک نورون در مقابل یک محرک را با اندازه گیری بیان ژن هایش تخمین زد؟

این طور که به نظر می رسد جواب مثبت بوده است. تیسوفسکی توانست با موفقیت یک سیستم کامپیوتری را جهت تشخیص الگوهای بیان ژنی برنامه ریزی کند تا بیان های ژنی موش های مورد آزمایش را بررسی کرده و حدس بزند که آیا آن ها تحت تاثیر محرک نوری کوتاه مدت بوده اند یا بلند مدت.

اما هنوز دو سوم از پازل باقی مانده است. حال که آن ها ارتباط بین مدت فعالیت نورونی و تغییرات بیان ژنی را یافته اند، محققان می توانند به سراغ دو طیف دیگر از ویژگی های فعالیت نورونی بروند که عبارتند از: فرکانس شلیک و شلیک های انفجاری و سریع (burstiness) که نشان دهنده ی بازه هایی است که یک نورون با سرعت بسیار بالا شلیک میکند و بین این بازه های شلیکی، فواصلی طولانی قرار دارند.

کامپیوترهای کند و سریع نورونی

یافته های این گروه می تواند باعث بهبود درک ارتباط بین آنچه دکتر گری آن ها را “کامپیوترهای کند” و کامپیوترهای سریع” می نامد. این دو موجودیت که در درون نورون ها واقع شده اند به گفته ی دکتر گری، مسئول تبدیل تجربیات ادارکی (حسی) به افکار و اعمال هستند.

دکتر گری اینگونه بیان می کند: “کامپیوتر سریع، که محاسبات شیمیایی و الکتریکی را چندین میلی ثانیه انجام می دهند، در لحظه عمل می کنند تا فعالیت های سریع را به وجود آورند و مشخص کنند آیا قرار است ما خورده شویم یا نه؟” (منظور رفلکس های سریع در مقابل خطر)

کامپیوتر کندتر از ژنوم استفاده می کنند تا محاسبات را در مدت زمان چند ساعت یا چند روز به انجام برسانند. دکتر گری افزود: ” این امر به شکل گیری حافظه کمک می کند. حافظه ای که به ما کمک می کند تا در مواجه شدن با همان مهاجم قبلی، از خورده شدن (خطرهای محیطی) جان سالم به در ببریم.”

رمزگشایی از نحوه ی ارتباط این دو نوع کامپیوتر می تواند معمای چگونگی عملکرد کامپیوترهای کندتر را در انجام دو وظیفه ی اساسی خود حل کند. این دو وظیفه عبارتند از ذخیره سازی اطلاعات در مورد تجربیات جدید و مهار بیش فعالیِ فعالیت های نورونی.

 دکتر گری اینگونه بیان کرد: ” یکی از امیدهای من این است که مطالعه ی ما باعث ایجاد تمایل بیشتری به سمت فهم ارتباط بین کامپیوترهای کند و سریع شده است (که ما این ارتباط را coupling map می نامیم). ما امیدواریم که دانشمندان علوم اعصابی که همکاران ما محسوب می شوند در مورد این ارتباط بیشتر بیاندیشند، چرا که ما معتقدیم که این ارتباط در فهم چگونگی عملکرد مغز بسیار مهم است.

 

ترجمه: سید محمدرضا گواهی وبسایت نوروسافاری

لینک گزارش خبری دانشگاه هاروارد:

The Written History of a Neuron

لینک مقاله پژوهشی در ژورنال Neuron:

Different Neuronal Activity Patterns Induce Different Gene Expression Programs

 

همچنین ببینید

فناوری های همگرا یا NBIC چیست؟

نوروسافاری | فناوری همگرا(NBIC) بر پایه فناوری نانو، زیست فناوری، فناوری اطلاعات و علوم شناختی …

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *