کشف ساختارهای منحصر بفرد مغز انسان

ایسنا: نقش فرافکنی‌های شاخه‌مانند نورون‌ها بیش از بازچینش اطلاعات از نورونی به نورون دیگر است و آنها فعالانه اطلاعات را پردازش و قدرت محاسباتی مغز را چند برابر می‌کنند.

دانشمندان موفق به شناسایی یک مینی رایانه‌ نورونی در مغز شدند.

زمانی تصور می‌شد فرافکنی‌های شاخه‌مانند نورون‌ها نوعی سیم‌کشی مجهول در مغز هستند، اما هم‌اکنون دانشمندان دانشگاه کارولینای شمالی نشان داده‌اند نقش این دندریت‌ها بیش از بازچینش اطلاعات از نورونی به نورون دیگر است.

آن‌ها دریافتند این مولفه‌ها فعالانه اطلاعات را پردازش و قدرت محاسباتی مغز را چند برابر می‌کنند.

یافته‌های جدید می‌تواند تفکر دانشمندان از مدل‌های علمی موجود در خصوص چگونگی عملکرد مداری نورون‌ها (سلول‌های عصبی) در مغز را دستخوش تغییر کرده و به درک بهتر آن‌ها از اختلالات عصبی بیانجامد.

آکسون‌ها - رشته های عصبی خارج شده از نورون‌ها - مکانی‌هایی هستند که در آن نورون‌ها اساسا جرقه‌های الکتریکی تولید می‌کنند، اما بسیاری از همان مولکول‌هایی که از این جرقه‌های آکسونی حمایت می‌کنند، نیز در دندریت‌ها حاضر هستند.

تحقیقات پیشین با استفاه از بافت مغزی تشریح‌شده نشان داده بود که دندریت‌ها می‌توانند از آن مولکول‌ها برای تولید جرقه‌های الکتریکی استفاده کنند، اما مشخص نبود که آیا این فعالیت نرمال مغزی شامل این جرقه‌های دندریتی هست یا خیر.

تیم دکتر اسپنسر اسمیت به این پرسش پاسخ مثبت داده و ثابت کرد که این دندریت‌ها به طور کارآمدی به عنوان مینی‌رایانه‌های عصبی عمل کرده و فعالانه‌ سیگنال‌های ورودی نورونی را پردازش می‌کنند.

اثبات مستقیم این موضوع نیازمند مجموعه‌ای از آزمایشات ظریف بود که سال‌ها به طول انجامید و در مرحله نهایی دانشمندان دانشگاه کارولینا از الکتروفیزیولوژی پچ-گیره برای متصل‌کردن یک الکترود پیپت شیشه‌ای میکروسکوپی به یک دندریت نورونی در مغز یک موش استفاده کردند. ایده مطرح شده "گوش‌دادن" به فرایند سیگنالدهی الکتریکی بود.

متصل‌کردن یک پیپت به یک دندریت از لحاظ تکنیکی بی نهایت چالش‌برانگیز است، زیرا از هر سمتی نمی‌توان به دندریت نزدیک شد و همچنین نمی‌توان آن را مشاهده کرد، بنابراین، به نوعی چشم‌بسته باید این عمل را انجام داد.

دکتر اسمیت برای انجام این آزمایش‌های پیچیده یک سیستم میکروسکوپی دو فوتونی را طراحی کرد که مطالعه گروهش را تسهیل کرد.

زمانی که پیپت به یک دندریت متصل شد، تیم اسمیت دندریت‌های منفرد موجود در درون مغز موش‌های بیدار و بیهوش را از لحاظ الکتریکی ضبط کردند.

زمانی که موش‌ها محرک‌های بصری را بر روی یک صفحه‌ رایانه مشاهده کردند، محققان الگویی غیرمعمول از سیگنال‌های الکتریکی (انفجار جرقه‌ها) را در دندریت‌ها مشاهده کردند.

تیم اسمیت دریافت بسته به محرک بصری، جرقه‌های دندریتی به صورت گزینشی رخ دادند و اطلاعات در خصوص آن‌چه حیوان در حال مشاهده آن بود، را پردازش می‌کردند.

محققان به منظور ارائه شواهد بصری از یافته‌هایشان، نورون‌ها را مملو از رنگ کلسیمی کردند و این امر امکان خوانش نوری آن‌ها را فراهم کرد.

با استفاده از این تکنیک آن‌ها دریافتند دندریت‌ها جرقه‌هایی را شلیک می‌کنند، در حالی که دیگر بخش‌های نورون این عمل را انجام نمی‌دهند؛ این بدین معنا بود که جرقه‌ها نتیجه پردازش موضعی در درون دندریت‌ها بودند.

تیاگو برانگو، دستیار این مطالعه، مدل ریاضیاتی و زیست‌فیزیکی را از نورون‌ها تهیه کرد و دریافت که مکانیسم‌های شناخته‌شده می‌توانند جرقه‌دهی دندریتی از لحاظ الکتریکی ضبط شده را پشتیبانی کنند و تعبیر داده‌ها را اعتبار بخشند.

تمامی داده‌های به دست آمده به این موضوع اشاره دارند که دندریت‌ها نقش مجهولی ندارند و در واقع، یک واحد محاسباتی هستند.

تیم علمی در تلاش برای کنکاش آنچه این نقش تازه‌ شناسایی‌شده دندریتی می‌تواند در مدار مغزی و به ویژه شرایطی مانند سندروم Timothy ایفا کند، هستند. در این سندروم فرایند ورود سیگنال‌های دندریتی می‌تواند منحرف شود.

جزئیات این مطالعه در Nature منتشر شد.