آیا نورونهای مهارگر، کلید رمزگشایی حافظه فضایی هستند؟
مغز انسان، این جعبهی اسرارآمیز، همواره دانشمندان را به چالش کشیده است. یکی از پیچیدهترین عملکردهای آن، حافظه فضایی است؛ توانایی به خاطر سپردن مکانها و مسیریابی در محیطهای مختلف. اما چه مکانیزمی در پس این توانایی شگفتانگیز نهفته است؟
مطالعهای جدید، رویکردی متفاوت را در این زمینه پیش گرفته است. به جای تمرکز بر نورونهای تحریککننده، این تحقیق به بررسی نقش نورونهای مهارگر موسوم به اینترنورونهای پاروالبومین (PVs) پرداخته است. این نورونها، عملکردی مشابه قطعکنندههای مدار دارند و با کاهش موقت فعالیت خود، به نورونهای مرتبط با یادگیری اجازه میدهند تا ارتباطات خود را تقویت کنند.
این پژوهش که توسط محققان موسسه فناوری جورجیا (Georgia Institute of Technology) انجام شده، میتواند درک ما از عملکرد حافظه فضایی را دگرگون کند و دریچهای نو به سوی درمان بیماریهایی نظیر آلزایمر و همچنین تقویت حافظه بگشاید.
اینترنورونهای پاروالبومین: نگهبانان خاموش حافظه
در این مطالعه، محققان با استفاده از روش اپتوژنتیک (optogenetics) و مازهای واقعیت مجازی بر روی موشها، به بررسی نقش اینترنورونهای PV پرداختند. اپتوژنتیک، تکنیکی است که به کمک نور، امکان کنترل نورونها را در زمان واقعی فراهم میکند.
نتایج نشان داد زمانی که مهار PVها در زمان مناسب کاهش نیابد، فرایند یادگیری مختل میشود. این یافتهها، فرضیه سنتی مبنی بر اینکه فعالیت بیشتر مغز همواره به معنای یادگیری بیشتر است را به چالش میکشند.
نکات کلیدی این پژوهش عبارتند از:
- مهار دینامیک: اینترنورونهای پاروالبومین درست قبل از لحظات یادگیری، فعالیت خود را کاهش میدهند و به مدارهای مرتبط با حافظه اجازه تقویت میدهند.
- سیگنال پیشبینیکننده: کاهش مهار، وقوع پاداش را پیشبینی میکند و نشان میدهد که مغز چگونه خود را برای یادگیری آماده میکند.
- کاربردهای بالینی: اختلال در زمانبندی مهار ممکن است توجیهی برای مشکلات حافظه در بیماری آلزایمر و اختلالات یادگیری باشد.
نوری جئونگ (Nuri Jeong)، محقق سابق در آزمایشگاه آنابل سینگر (Annabelle Singer) در دپارتمان مهندسی پزشکی والاس اچ. کولتر (Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering) در دانشگاه جورجیا تک (Georgia Tech) و دانشگاه اموری (Emory University)، به یاد میآورد که در سفر به کره جنوبی و دیدار با مادربزرگش که با بیماری آلزایمر دست و پنجه نرم میکرد، چه احساس شگفتی را تجربه کرد.
جئونگ میگوید: “شش سال بود که او را ندیده بودم، اما او مرا شناخت. انتظار نداشتم. با وجود اینکه مادربزرگم برای به یاد آوردن سایر اعضای خانواده که همیشه میدید، مشکل داشت، اما به نوعی مرا به خاطر آورد.”
او اضافه میکند: “این موضوع باعث شد از خود بپرسم که مغز چگونه بین تجربیات آشنا و جدید تمایز قائل میشود؟”
همین تجربه، جئونگ را بر آن داشت تا به کاوش عمیق در زمینه یادگیری فضایی و حافظه بپردازد، که نتیجه آن، انتشار مطالعهای جدید در مجله Nature است.
جئونگ، سینگر و تیم تحقیقاتی جورجیا تک در مقاله خود توضیح میدهند که مغز چگونه به سرعت مکانهای مهم را یاد میگیرد و به خاطر میسپارد.
جئونگ، نویسنده اصلی این مقاله، میگوید: “مغز برای مسیریابی در جهان به یادگیری فضایی متکی است، خواه پیدا کردن یک میانبر در یک محله جدید باشد یا به خاطر سپردن محل پارک خودرو.”
هموار کردن مسیر یادگیری
بیشتر تحقیقات در زمینه یادگیری فضایی بر روی نورونهای تحریککننده تمرکز دارند. اما جئونگ، سینگر و تیمشان مسیری متفاوت را در پیش گرفتند و به بررسی نقش حیاتی مهار پرداختند.
به طور خاص، این تیم به بررسی نقش نورونهای مهارگر به نام اینترنورونهای پاروالبومین یا PVs در هیپوکامپ پرداختند؛ بخشی کوچک از مغز که به یادگیری، حافظه و مسیریابی فضایی کمک میکند.
محققان دریافتند زمانی که PVها فعالیت خود را کاهش میدهند، راه را برای نورونهای تحریککننده که فعالیت مغز را هدایت میکنند، باز میکنند تا پیوندهای خود را تقویت کرده و یادگیری را تقویت کنند.
سینگر میگوید: “PVها را به عنوان نوعی قطعکننده مدار در نظر بگیرید که از مختل شدن مدارهای مغز ما جلوگیری میکند.”
او ادامه میدهد: “این تحقیق نشان میدهد که مهار، ثابت نیست، بلکه نقش بسیار پویاتری در نحوه یادگیری و به خاطر سپردن ما ایفا میکند. این فقط در مورد ترمز گرفتن برای کنترل مغز نیست، بلکه در مورد زمانبندی دقیق رهایی از مهار است تا مغز به سرعت اطلاعات مهم را رمزگذاری کند.”
محققان از اپتوژنتیک (optogenetics) – تکنیکی برای کنترل نورونها با نور – برای دستکاری اینترنورونها در زمان واقعی استفاده کردند. آنها هزاران نورون را در مغز موش مورد بررسی قرار دادند.
هنگامی که حیوانات در یک ماز واقعیت مجازی میدویدند و محل پاداش را یاد میگرفتند، PVها قبل از رسیدن به پاداش، فعالیت خود را کاهش میدادند. در همین حال، هنگامی که محققان از این کاهش در مهار جلوگیری کردند، حیوانات نتوانستند یاد بگیرند.
سینگر گفت: “ما شگفتزده شدیم که PVها با نزدیک شدن حیوانات به یک منطقه پاداش یاد گرفته شده، شلیک خود را کاهش دادند. این کاهش در واقع پاداش را پیشبینی میکرد. این موضوع، ایده سنتی مبنی بر اینکه فعالیت عصبی بیشتر همیشه برابر با یادگیری است را به چالش میکشد.”
مهار انتخابی
به گفته سینگر، این تحقیق دارای پیامدهای بالقوه برای تحقیقات آلزایمر است، زیرا مهار در این بیماری مختل میشود. او و تیمش میخواهند دلیل آن را بفهمند.
او میگوید: “وقتی به آلزایمر فکر میکنیم، اغلب به یک مغز بیش فعال فکر میکنیم. اما این فقط یک مشکل حجمی نیست. بلکه یک مشکل زمانبندی و مکان است. اگر مهار در مکان مناسب و در لحظات مناسب کاهش نیابد، مغز ممکن است برای تشکیل خاطرات جدید دچار مشکل شود.”
یافتههای این مطالعه، کاربردهای بالقوهای برای آلزایمر، ناتوانیهای یادگیری و حتی تکنیکهای تقویت حافظه از طریق تحریک غیرتهاجمی مغز دارد.
سینگر، که قصد دارد در آینده نحوه عملکرد PVها را در مدلهای بیماری بررسی کند، میگوید: “با مطالعه نحوه یادگیری مغز سالم، اصول اساسی را کشف میکنیم که میتواند پیامدهای گستردهای داشته باشد. اگر بتوانیم مشخص کنیم که در این مدارها چه اشتباهی رخ میدهد، ممکن است راههایی برای بازگرداندن عملکرد طبیعی و بهبود یادگیری فضایی پیدا کنیم.”
برای جئونگ، این تحقیق که با الهام از مادربزرگش انجام شده، همچنان جنبه شخصی دارد. قبل از کسب مدرک دکترای خود در علوم اعصاب از اموری در سال 2023، او دچار یک حادثه رانندگی شد که او را برای چند ماه عقب انداخت.
او در دوران نقاهت خود، زمان زیادی برای فکر کردن به آیندهاش داشت. اکنون او از تخصص خود در زمینه علوم اعصاب به عنوان مربی شرکتی و مربی شخصی تحت پوشش شرکت خود، “اهداف بدون مانع” (Goals Unhindered) استفاده میکند.
او میگوید: “اما عشق اول من تحقیق بود و این مطالعه یادآوری برای من است که مهار در مغز، مانند موانع در زندگی، فقط در مورد توقف فعالیت نیست، بلکه در مورد یادگیری و شکلدهی خاطرات جدید و نحوه حرکت ما در جهان است.”
درباره این خبر تحقیقاتی در مورد یادگیری و حافظه
- نویسنده: کاترین بارزلر (Catherine Barzler)
- منبع: موسسه فناوری جورجیا (Georgia Institute of Technology)
- تماس: کاترین بارزلر – موسسه فناوری جورجیا
- تصویر: اعتبار تصویر متعلق به Neuroscience News است.
- تحقیقات اصلی: دسترسی آزاد. “مهار هیپوکامپ خاص هدف، دروازههای یادگیری” توسط نوری جئونگ و همکاران. Nature
چکیده
مهار هیپوکامپ خاص هدف، دروازههای یادگیری
مسیریابی هدفمند در یک محیط جدید مستلزم شناسایی و بهرهبرداری سریع از مکانهای مهم است. شناسایی مکانهای هدف جدید به محاسبات عصبی بستگی دارد که به سرعت مکانها را نشان میدهند و اطلاعات مکان را به پیامدهای کلیدی مانند غذا متصل میکنند.
با این حال، مکانیسمهای راهاندازی این محاسبات در مکانهای مرتبط با رفتار به خوبی درک نشدهاند.
در اینجا نشان میدهیم که اینترنورونهای مثبت پاروالبومین (PV) در CA3 هیپوکامپ موش، نقش علّی در شناسایی و بهرهبرداری از مکانهای جدید غذا دارند، به طوری که کاهش فعالیت مهاری در اطراف اهداف، امکان فعالسازی مجدد را فراهم میکند تا مکانهای هدف را به نتایج غذا متصل کند.
اینترنورونهای PV در CA3 به طور قابل توجهی شلیک خود را در هنگام نزدیک شدن به مکانهای هدف و در این مکانها کاهش میدهند، در حالی که موشهای محروم از غذا یاد میگیرند غذا پیدا کنند.
این کاهشهای مهاری با یادگیری موشها، مکانهای پاداش را پیشبینی میکنند و در آزمایشهای صحیح بیشتر به چشم میخورند. تحریک اپتوژنتیک پراکنده برای جلوگیری از کاهش مرتبط با هدف در شلیک اینترنورون PV، یادگیری مکانهای هدف را مختل کرد.
اختلال در کاهش مرتبط با هدف در فعالیت اینترنورون PV، فعالسازی مجدد مکانهای هدف جدید پس از دریافت غذا را مختل کرد، فرایندی که مکانهای قبلی را به نتایج غذا مرتبط میکند تا موشها بدانند بعداً کجا به دنبال غذا بگردند.
این نتایج نشان میدهد که کاهشهای انتخابی هدف و پیشبینیکننده هدف در فعالیت مهاری، یادگیری، نمایشها و تداعیهای پیامدی مکانهای حیاتی را ممکن میسازد.
