توربوشارژر برای حافظه که مدت ها مشکوک بود در سلول های مغز موش ها یافت شد

دانشمندان مدت‌هاست می‌دانند که یادگیری نیاز به جریان کلسیم به داخل و خارج سلول‌های مغز دارد. اما محققان موسسه زوکرمن کلمبیا اکنون دریافته اند که سیل کلسیم از درون نورون ها نیز می تواند یادگیری را تقویت کند. این یافته از مطالعات مربوط به نحوه یادآوری مکان‌های جدید توسط موش‌ها به دست آمده است.

منتشر شده امروز در علوم پایه، تحقیقات جدید پیشنهاد نمی کند که برای قبولی در کلاس ریاضی باید شیر غنی از کلسیم بیشتری بنوشید. درک بهتری از مکانیسم‌های زیربنای یادگیری و حافظه ارائه می‌کند: دانشی که می‌تواند به روشن کردن اختلالاتی مانند بیماری آلزایمر کمک کند.

دکتر فرانک پولوکس، محقق اصلی موسسه زوکرمن کلمبیا، گفت: سلول‌هایی که در این کار جدید مطالعه کردیم، در هیپوکامپ، اولین ناحیه از مغز که تحت تأثیر بیماری آلزایمر قرار گرفته است، هستند. درک اصول اولیه این که چه چیزی به این سلول‌های مغزی اجازه می‌دهد حافظه را رمزگذاری کنند، بینش فوق‌العاده‌ای را در مورد اشتباهات این بیماری ارائه می‌دهد.

توانایی مغز برای یادگیری و به خاطر سپردن – همه چیز از اولین کلمات و گام‌های ما تا جایی که ماشین خود را پارک کرده‌ایم یا کلیدمان را جا گذاشته‌ایم – به شکاف‌هایی که نورون‌ها به یکدیگر متصل می‌شوند بستگی دارد که سیناپس نامیده می‌شوند. سیناپس ها، که از طریق آن سلول ها اطلاعات را تبادل می کنند، می توانند در طول زمان اصلاح شوند. این شکل‌پذیری برای تجربه، که به عنوان پلاستیسیته شناخته می‌شود، به چگونگی جریان یون‌های کلسیم در مغز بستگی دارد.

تقریباً تمام تحقیقات در مورد نقشی که کلسیم در پلاستیسیته ایفا می‌کند، بر این متمرکز شده است که چگونه می‌تواند از طریق کانال‌های روی سطوح نورون‌ها به داخل و خارج از سیناپس وارد شود. برای بیش از دو دهه، دانشمندان مشکوک بودند که ذخایر کلسیم درون نورون‌ها نیز ممکن است نقش مهمی در شکل‌گیری انعطاف‌پذیری داشته باشند. اما تا به حال، دانشمندان راهی برای بررسی اثرات کلسیم تخلیه شده از این مخازن داخلی در مغز پستانداران نداشتند.

محقق فوق دکتری و نویسنده اول جاستین اوهار، دکترای دکترا، در آزمایشگاه Polleux و می‌گوید: «برای مدت طولانی، هیچ ابزار خوبی برای بررسی آزادسازی کلسیم درون سلولی در یک حیوان زنده وجود نداشت. آزمایشگاه آتیلا لوسونچی، MD، Ph.D. در موسسه زوکرمن کلمبیا.

در مطالعه جدید روی موش ها، آزمایشگاه Polleux و آزمایشگاه Losonczy بر روی هیپوکامپ، منطقه ای به شکل اسب دریایی از مغز که مرکز حافظه است، تمرکز کردند. به طور خاص، دانشمندان نورون‌های هرمی شکلی را که می‌توانند خاطرات مکان‌هایی را که سلول‌های مکان نامیده می‌شوند، در ناحیه هیپوکامپ به نام CA1 رمزگذاری کنند، تجزیه و تحلیل کردند.

دکتر پولوکس، که همچنین یک متخصص است، می‌گوید: «سلول‌های مکان یکی از ابزارهای کلیدی هستند که با آن نه تنها نقشه‌های جهان را می‌سازیم، بلکه یک مکان را با چیزی مانند پاداش، رنگ، بو و هر چیزی مرتبط می‌کنیم». استاد علوم اعصاب در کالج پزشکان و جراحان واگلوس کلمبیا. سوال بزرگ این است که این سلول ها چگونه این کار را انجام می دهند؟

برای پاسخ به این سوال، محققان از موش‌ها خواستند روی تردمیل‌هایی با تسمه‌های ساخته شده از سه نوع پارچه مختلف و تزئین شده با پولک‌ها، پومپوم‌های خزدار و سایر زیورآلات بدوند. این تزیینات نشانه های حسی بصری و لمسی در مورد مکان های خاص روی کمربندها ارائه می کردند. سلول‌های مکانی در مغز این موش‌ها برای روشن شدن در پاسخ به نور لیزر، تکنیکی به نام اپتوژنتیک، اصلاح ژنتیکی شده بود. این به محققان اجازه داد تا آن سلول‌های مکان را روی نقاط خاصی روی کمربند تنظیم کنند.

در داخل سلول های مکان، محققان بر روی ژنی به نام Pdzd8 تمرکز کردند. این پروتئین پروتئینی را کد می کند که به طور معمول به محدود کردن مقدار کلسیم آزاد شده از شبکه آندوپلاسمی (ER)، شبکه پیچیده ای از لوله ها در سلول ها کمک می کند.

دکتر پولوکس گفت: ER مقدار زیادی کلسیم را ذخیره می کند. این مانند یک بمب کلسیمی در داخل همه سلول هاست.

محققان Pdzd8 را حذف کردند. این حذف، ترمزهای آزادسازی کلسیم را از ER حذف کرد. سپس دانشمندان به دنبال تغییراتی در فعالیت سلول‌های مکان در بدنه‌های مرکزی سلول‌ها و دندریت‌های آن‌ها بودند، شاخه‌های درخت مانندی که سلول‌ها سیگنال‌هایی را از سلول‌های دیگر دریافت می‌کنند.

دکتر پولوکس گفت: «هر یک از فناوری‌هایی که برای انجام این آزمایش‌ها استفاده می‌کنیم، به تنهایی دشوار است. این احتمالاً یکی از چالش برانگیزترین مجموعه آزمایشاتی است که از آزمایشگاه من بیرون آمده است، و بدون همکاری عمیق با آزمایشگاه Losonczy و استعدادهای تجربی و تحلیلی باورنکردنی دکتر جاستین اوهار هرگز اتفاق نمی افتاد.

دانشمندان دریافتند که افزایش مقدار کلسیم آزاد شده در یک سلول مکانی، به طور قابل توجهی ناحیه ای را که با آن هماهنگ شده است، افزایش می دهد، و اندازه محلی را که به موش کمک می کند به خاطر بسپارد، افزایش می دهد. افزایش آزادسازی کلسیم درون سلولی نیز به طور چشمگیری مدت زمان هماهنگ شدن یک سلول مکانی با یک مکان خاص را افزایش داد.

دکتر پولوکس می گوید: «انتشار کلسیم درون سلولی می تواند مانند یک توربوشارژر برای انعطاف پذیری عمل کند. ما متوجه شدیم که سلول‌های محل را در صورت عدم کنترل، شاید حتی بیش از حد پایدار می‌کند.»

دانشمندان همچنین دریافتند دندریت‌های راس هر نورون هرمی شکل در CA1 معمولاً در مکان‌های مختلف تنظیم شده‌اند. افزایش مقدار کلسیم آزاد شده در این نورون‌ها به هماهنگ کردن بسیاری از دندریت‌ها در رأس آنها در یک مکان در طول یادگیری کمک کرد، اما تأثیر کمتری بر دندریت‌های پایه نورون‌ها داشت. کشف روش‌هایی که در آن همه اجزای این نورون‌های فوق‌العاده پیچیده در طول یادگیری تغییر می‌کنند، می‌تواند به محققان در رمزگشایی نحوه عملکرد این سلول‌ها کمک کند.

دکتر Losonczy گفت: مدت‌ها گمان می‌رود که دندریت‌ها به‌عنوان «سلول‌های درون سلولی» عمل می‌کنند که می‌توانند به طور مستقل یا در صورت نیاز با هم کار کنند تا قدرت محاسباتی نورون‌های منفرد را افزایش دهند. “مطالعه ما نه تنها نشان می‌دهد که واقعاً چنین است، بلکه مکانیسم مولکولی را برای چگونگی تنظیم این همکاری دندریتیک در مغز در حال انجام فراهم می‌کند.”

دکتر اوهار گفت: «هر سلول مکان بالقوه احتمالاً ده‌ها هزار ورودی دریافت می‌کند که حاوی اطلاعات مربوط به یک فضا هستند. “اگر به این همه پیچیدگی فکر کنید، می توانید درک کنید که حتی یک نورون در مغز اساساً مانند یک ابر رایانه است.”

تحقیقات آینده می تواند بررسی کند که حذف Pdzd8 چه تأثیراتی بر رفتار به طور کلی دارد. دکتر Polleux گفت: «اخیرا مقاله ای منتشر شد که برای اولین بار جهش در Pdzd8 را در انسان شناسایی کرد. افرادی که این جهش‌ها را حمل می‌کنند دارای نقص‌های شدید یادگیری و حافظه هستند که نشان می‌دهد چقدر برای مغز مهم است.

دکتر O’Hare و همکارانش اکنون در حال بررسی این هستند که چه اتفاقی برای CA1 در مدل موش مبتلا به آلزایمر می افتد.

دکتر اوهار گفت: “با پیشرفت این بیماری چه اتفاقی برای قرار دادن سلول ها می افتد؟ هنوز مشخص نیست.” “درک اصول اولیه ای که سلول های مکان را با توانایی رمزگذاری خاطرات در هیپوکامپ اعطا می کند، می تواند عواقب عظیمی برای درک ما از اشتباهات این بیماری داشته باشد. سپس می توانیم به این فکر کنیم که چگونه می تواند به درمان های جدید تبدیل شود.”