مغز شما، یک رادیوی عصبی فوق‌پیشرفته: کشف راز هماهنگی سلول‌های مغزی با فرکانس‌های چندگانه!

تا به حال به این فکر کرده‌اید که مغز شما چگونه قادر است همزمان اطلاعات مربوط به مکان‌یابی، حافظه و احساسات را پردازش کند؟ محققان دانشگاه فلوریدا آتلانتیک (Florida Atlantic University – FAU) و همکارانشان در مرکز پزشکی اراسموس (Erasmus Medical Center) روتردام هلند و دانشگاه آمستردام هلند، به تازگی پرده از راز شگفت‌انگیزی در عملکرد سلول‌های مغزی برداشته‌اند. یافته‌های آن‌ها نشان می‌دهد که نورون‌های موجود در هیپوکامپ (hippocampus)، ناحیه‌ای کلیدی در مغز مسئول حافظه و یادگیری، می‌توانند به طور همزمان به امواج مغزی آهسته (تتا) و سریع (گاما) پاسخ دهند!

این کشف که در مجله‌ی معتبر PLOS Computational Biology منتشر شده، دریچه‌ای نو به سوی درک چگونگی سازماندهی افکار، حافظه و رفتارها در مغز باز می‌کند. نکته‌ی مهم‌تر اینکه، این یافته‌ها می‌توانند پیامدهای قابل توجهی در شناخت و درمان بیماری‌های عصبی مانند آلزایمر، صرع و اسکیزوفرنی داشته باشند.

چگونه نورون‌ها به چند فرکانس به طور همزمان گوش می‌دهند؟

این پژوهش نشان داده است که نورون‌ها می‌توانند با تغییر بین حالت‌های شلیک مختلف، به طور همزمان به امواج تتا و گاما پاسخ دهند. این فرآیند که “رزونانس درهم‌تنیده” (interleaved resonance) نامیده می‌شود، به سلول‌های مغزی این امکان را می‌دهد تا اطلاعات پیچیده را با استفاده از شلیک‌های دسته‌ای برای امواج تتا کندتر و شلیک‌های منفرد برای امواج گامای سریع‌تر، رمزگذاری کنند.

در واقع، این سلول‌ها مانند یک رادیوی چند بانده عمل می‌کنند که می‌توانند به طور انتخابی به فرکانس‌های مختلف گوش داده و رفتار خود را بر اساس آن تنظیم کنند.

کلید این توانایی در دستان یون‌ها

محققان دریافتند که این رفتار تحت تأثیر تنظیمات داخلی نورون‌ها، به ویژه سطوح سه جریان یونی است: جریان سدیم پایدار (I_NaP)، جریان پتاسیم یکسوساز تاخیری (I_KDR) و جریان فعال شده توسط هیپرپلاریزاسیون (I_h).

به عبارت دیگر، نورون‌ها با تنظیم این هدایت‌های یونی داخلی، می‌توانند ترجیحات رزونانس خود را بین امواج تتا و گاما و بین شلیک‌های دسته‌ای و منفرد تغییر دهند.

به علاوه، نورون‌ها پس از دوره‌های سکوت طولانی، بیشتر احتمال دارد که شلیک‌های دسته‌ای داشته باشند، که این امر یک عنصر وابسته به زمان را به نحوه رمزگذاری اطلاعات اضافه می‌کند.

پیامدهای بالینی این کشف

رودریگو پنا (Rodrigo Pena, Ph.D.)، نویسنده ارشد این مطالعه و استادیار علوم بیولوژیکی در کالج علوم چارلز ای. اشمیت (Charles E. Schmidt College of Science) دانشگاه FAU و عضو موسسه مغز استایلز-نیکلسون (FAU Stiles-Nicholson Brain Institute) در پردیس جان دی. مک‌آرتور در ژوپیتر، می‌گوید: «این توانایی ‘کدگذاری دوگانه’ دیدگاه جدیدی در مورد چگونگی سازماندهی و انتقال کارآمد اطلاعات توسط مغز ارائه می‌دهد و می‌تواند پیامدهای گسترده‌ای برای شرایط عصبی که در آن ریتم‌های مغزی مختل می‌شوند، داشته باشد.»

به گفته‌ی او، اگر نورون‌ها به درستی شلیک نکنند یا قادر به تغییر مناسب بین شلیک‌های منفرد و دسته‌ای نباشند، این امر می‌تواند در نحوه شکل‌گیری خاطرات یا نحوه هدایت توجه اختلال ایجاد کند. اگر ما درک کنیم که نورون‌ها به طور طبیعی چگونه با ریتم‌های مختلف مغزی سازگار می‌شوند، می‌توانیم شروع به فکر کردن در مورد چگونگی بازگرداندن این انعطاف‌پذیری در شرایطی که از دست رفته است، کنیم.

این یافته‌ها همچنین به سؤالات دیرینه در علوم اعصاب، از جمله چگونگی شکل‌گیری حافظه فضایی در هیپوکامپ، نور می‌اندازد و بر پیچیدگی و سازگاری مغز تأکید می‌کند.

در این پژوهش، تمرکز بر روی نورون‌های هرمی CA1 بود، نوعی از سلول‌های مغزی که نقش حیاتی در شکل‌گیری حافظه و مکان‌یابی فضایی دارند. این سلول‌ها از طریق ارسال تکانه‌های الکتریکی، چه به صورت شلیک‌های منفرد مجزا و چه به صورت شلیک‌های سریع و دسته‌ای، با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند.

هر حالت شلیک، نوع متفاوتی از اطلاعات را منتقل می‌کند و با زمینه‌های رفتاری خاصی مرتبط است. تا پیش از این، عوامل تعیین‌کننده زمان و نحوه تغییر این نورون‌ها بین این حالت‌ها، به خوبی درک نشده بود.

مغز، پویا تر از تصور

به بیان ساده، یک نورون واحد محدود به ارسال تنها یک نوع سیگنال نیست – بلکه می‌تواند بسته به شرایط، چندین لایه از اطلاعات را حمل کند.

پنا در پایان می‌گوید: «بلوک‌های ساختمانی مغز بسیار پویاتر از آن چیزی هستند که قبلاً تصور می‌شد. یک نورون می‌تواند به طور همزمان ریتم‌های مختلف مغزی را دنبال کند و الگوهای شلیک خود را مطابق با نیازهای لحظه تنظیم کند. این کشف نه تنها درک ما از نحوه عملکرد مغز را پیشرفت می‌دهد، بلکه می‌تواند روزی به هدایت درمان‌هایی که هدفشان بازگرداندن عملکرد سالم عصبی در هنگام بروز مشکل است، کمک کند.»

از دیگر نویسندگان این مطالعه می‌توان به سزار سی. سبایوس (César C. Ceballos, Ph.D.)، نویسنده اول و محقق فوق دکتری در کالج علوم چارلز ای. اشمیت دانشگاه FAU، نوردین چادلی (Nourdin Chadly, Ph.D.) از مرکز پزشکی اراسموس و دانشگاه آمستردام و اریک لووت (Erik Lowet, Ph.D.)، استادیار دپارتمان علوم اعصاب در مرکز پزشکی اراسموس، اشاره کرد.

اطلاعات تکمیلی:

• نویسنده: گیزل گالوستیان (Gisele Galoustian)
• منبع: دانشگاه FAU
• تماس: گیزل گالوستیان – دانشگاه FAU
• تصویر: منبع تصویر: Neuroscience News
• مقاله اصلی: دسترسی آزاد. «رزونانس شلیک تک و دسته‌ای درهم‌تنیده در نورون‌ها» نوشته رودریگو پنا و همکاران. PLOS Computational Biology.

چکیده مقاله:

تحت شرایط in vivo، سلول‌های هرمی CA1 از هیپوکامپ، انتقال از شلیک‌های منفرد به دسته‌ای را نشان می‌دهند. اعتقاد بر این است که هیپرپلاریزاسیون و دپلاریزاسیون زیر آستانه، که به عنوان حالت‌های پایین و بالا نیز شناخته می‌شوند، نقش محوری در این انتقالات ایفا می‌کنند. با این وجود، یک مانع اصلی برای همبستگی فعالیت فوق آستانه (شلیک) و زیر آستانه، مشکلات فنی مرتبط با این نوع ثبت‌ها بوده است، حتی با استفاده از تصویربرداری کلسیم یا ثبت‌های چند الکترودی که به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مطالعات اخیر با استفاده از تصویربرداری ولتاژ با نشانگرهای ولتاژ کدگذاری شده ژنتیکی، توانسته‌اند الگوهای شلیک را با فعالیت زیر آستانه در انواع مختلف نورون‌های CA1 مرتبط کنند، و مدل‌های محاسباتی اخیر نیز توانسته‌اند این انتقالات را ثبت کنند.

در این کار، ما از یک مدل محاسباتی از یک سلول هرمی CA1 برای بررسی نقش هدایت‌های ذاتی و الگوهای نوسانی در ایجاد حالت‌های پایین و بالا و تعدیل آنها در انتقال از شلیک منفرد به دسته‌ای استفاده کردیم.

به طور خاص، ما ظهور رزونانس‌های شلیک متمایز بین این دو حالت شلیک را مشاهده کردیم که در حضور ورودی‌های نوسانی تتا یا گاما، ردیابی ولتاژ یکسانی دارند، پدیده‌ای که ما آن را رزونانس شلیک تک و دسته‌ای درهم‌تنیده می‌نامیم. ما متوجه شدیم که این رزونانس‌ها لزوماً در فرکانس یا دامنه همپوشانی ندارند، که بر اهمیت آنها برای ارائه انعطاف‌پذیری به پردازش عصبی تأکید می‌کند.

ما مقادیر هدایت سه نوع جریان را که تصور می‌شود برای رفتار دسته‌ای حیاتی هستند، مطالعه کردیم: جریان سدیم پایدار (I_NaP) و هدایت آن (G_NaP)، جریان پتاسیم یکسوساز تاخیری (I_KDR) و هدایت آن (G_KDR) و جریان فعال شده با هیپرپلاریزاسیون (I_h) و هدایت آن (G_h).

ما به این نتیجه رسیدیم که تعامل پیچیده جریان‌های یونی به طور قابل توجهی بر الگوهای شلیک عصبی تأثیر می‌گذارد و در طول دپلاریزاسیون مداوم، از شلیک منفرد به دسته‌ای انتقال می‌یابد. به طور خاص، سطوح متوسط G_NaP و G_KDR، رزونانس شلیک را در ورودی‌های فرکانس گاما تسهیل می‌کنند.

ویژگی‌های رزونانس بین حالت‌های شلیک منفرد و دسته‌ای متفاوت است و هر کدام دامنه‌ها و فرکانس‌های رزونانس متمایزی را نشان می‌دهند. علاوه بر این، مقادیر پایین G_NaP و مقادیر بالای G_KDR، شلیک دسته‌ای را در فرکانس‌های تتا قفل می‌کنند، در حالی که مقادیر بالای G_NaP و مقادیر پایین G_KDR، شلیک منفرد را در فرکانس‌های گاما قفل می‌کنند.

در نهایت، مدت زمان فواصل سکوت نقش مهمی در تعیین احتمال انتقال به حالت‌های شلیک دسته‌ای یا منفرد دارد. ما تأیید کردیم که همین ویژگی‌ها در داده‌های تصویربرداری ولتاژ in vivo که قبلاً ثبت شده بودند، وجود دارند.

درک این پویایی‌ها بینش‌های ارزشمندی را در مورد مکانیسم‌های اساسی که زیربنای تحریک‌پذیری عصبی تحت شرایط in vivo هستند، ارائه می‌دهد.

منبع