خاطرات چگونه در غشای نورون‌های مغزی ذخیره می‌شوند
به گزارش خبرنگار «نبض فناوری» مغز شما مسئول کنترل بیشتر فعالیت‌های بدن شماست. قابلیت‌های پردازش اطلاعات آن چیزی است که به شما امکان یادگیری را می‌دهد و مخزن مرکزی خاطرات شما است. اما حافظه چگونه شکل می‌گیرد و در کجای مغز قرار دارد؟ اگرچه دانشمندان علوم اعصاب مناطق مختلفی از مغز را که در آن خاطرات ذخیره می‌شود، را شناسایی کرده اند، مانند هیپوکامپ در وسط مغز، نئوکورتکس در لایه بالایی مغز و مخچه در پایه جمجمه، اما هنوز نتوانسته اند ساختار‌های مولکولی خاص در مناطقی که در حافظه و یادگیری نقش دارند، را شناسایی کنند.
مسئول یادگیری و حافظه
نورون‌ها واحد‌های اصلی کار مغز هستند. آن‌ها برای انتقال اطلاعات به سلول‌های دیگر طراحی شده اند و بدن را قادر به عملکرد می‌کنند. محل اتصال دو نورون که سیناپس نامیده می‌شود و شیمی که بین سیناپس‌ها اتفاق می‌افتد، در فضایی به نام شکاف سیناپسی، مسئول یادگیری و حافظه هستند. در یک سطح اساسی تر، سیناپس از دو غشاء ساخته شده است: یکی مرتبط با نورون پیش سیناپسی که اطلاعات را منتقل می‌کند، و دیگری مرتبط با نورون پس سیناپسی که اطلاعات را دریافت می‌کند.
نحوه ذخیره سازی اطلاعات
همه دستگاه‌های ذخیره سازی حافظه، از مغز شما گرفته تا رم رایانه شما، اطلاعات را با تغییر کیفیت فیزیکی خود ذخیره می‌کنند. بیش از ۱۳۰ سال پیش، Santiago Ramón y Cajal، عصب‌شناس پیشگام، برای اولین بار پیشنهاد کرد که مغز اطلاعات را با تنظیم مجدد اتصالات یا سیناپس‌ها بین نورون‌ها ذخیره می‌کند. از آن زمان، دانشمندان علوم اعصاب تلاش کردند تا تغییرات فیزیکی مرتبط با شکل گیری حافظه را درک کنند. اما تجسم و نقشه برداری از سیناپس‌ها چالش برانگیز بوده است. برای مثال، سیناپس‌ها بسیار کوچک و محکم در کنار هم هستند. آن‌ها تقریباً ۱۰ میلیارد بار کوچکتر از کوچکترین جسمی هستند که یک MRI بالینی استاندارد می‌تواند تجسم کند. علاوه بر این، تقریباً ۱ میلیارد سیناپس در مغز موش وجود دارد که محققان اغلب برای مطالعه عملکرد مغز از آن‌ها استفاده می‌کنند، و همه آن‌ها به اندازه بافت اطراف آن‌ها رنگ مات تا شفاف دارند. با این حال، یک تکنیک تصویربرداری جدید به ما امکان را می‌دهد تا سیناپس‌ها را در طول شکل گیری حافظه نقشه برداری کنیم. ما دریافتیم که فرآیند شکل‌گیری خاطرات جدید نحوه اتصال سلول‌های مغزی به یکدیگر را تغییر می‌دهد. در حالی که برخی از مناطق مغز ارتباطات بیشتری ایجاد می‌کنند، برخی دیگر آن‌ها را از دست می‌دهند.
پلاستیسیته سیناپسی
هر غشا از یک لایه دولایه لیپیدی حاوی پروتئین‌ها و سایر مولکول‌های زیستی تشکیل شده است. تغییراتی که بین این دو غشاء اتفاق می‌افتد، که معمولاً به عنوان پلاستیسیته سیناپسی شناخته می‌شود، مکانیسم اولیه یادگیری و حافظه است. این تغییرات شامل تغییرات در مقادیر پروتئین‌های مختلف در غشا‌ها و همچنین ساختار خود غشا‌ها می‌شود. شکل پذیری سیناپسی را می‌توان به صورت کوتاه مدت، از میلی ثانیه تا چند دقیقه، یا طولانی مدت، از چند دقیقه تا چند ساعت یا بیشتر طبقه بندی کرد. فرآیند‌های شیمیایی که بین غشا‌های پیش سیناپسی و پس سیناپسی در پلاستیسیته کوتاه مدت رخ می‌دهد، در نهایت منجر به شکل پذیری سیناپسی طولانی مدت می‌شود. از آنجایی که دانشمندان فکر می‌کنند روش اصلی پردازش و ذخیره اطلاعات مغز از طریق این تغییرات طولانی مدت در سیناپس‌ها است، ولی آیا ممکن است که حافظه در لایه دولایه لیپیدی غشاء ذخیره شود.
عملکرد پلاستیسیته سیناپسی چیست؟
با توجه به اینکه پلاستیسیتی، انعطاف پذیری و توانایی مغز برای تغییر و سازگاری با اطلاعات جدید است. ولی شکل پذیری سیناپسی تغییری است که در سیناپس‌ها رخ می‌دهد، اتصالات بین نورون‌ها که به آن‌ها اجازه می‌دهد با هم ارتباط برقرار کنند. این ایده که سیناپس‌ها می‌توانند تغییر کنند و این تغییر به میزان فعال یا غیرفعال بودن آن‌ها بستگی دارد، اولین بار در سال ۱۹۴۹ توسط روانشناس کانادایی دونالد هب مطرح شد. به دلیل نقش احتمالی پلاستیسیته سیناپسی در ذخیره سازی حافظه، از آن زمان به یکی از موضوعات مورد تحقیق در تمام علوم اعصاب تبدیل شده است. شکل پذیری سیناپسی نحوه ارتباط موثر دو نورون با یکدیگر را کنترل می‌کند. قدرت ارتباط بین دو سیناپس را می‌توان به حجم یک مکالمه تشبیه کرد. هنگامی که نورون‌ها صحبت می‌کنند، این کار را با صدا‌های مختلف انجام می‌دهند - برخی از نورون‌ها با یکدیگر زمزمه می‌کنند در حالی که برخی دیگر فریاد می‌زنند. تنظیم حجم سیناپس یا قدرت سیناپسی ثابت نیست، بلکه می‌تواند در کوتاه مدت و بلند مدت تغییر کند. پلاستیسیته سیناپسی به این تغییرات در استحکام سیناپسی اشاره دارد. دانشمندان علوم اعصاب همچنین در مورد انعطاف پذیری کوتاه مدت و بلند مدت صحبت می‌کنند. انعطاف پذیری سیناپسی کوتاه مدت به تغییرات قدرت سیناپسی اشاره دارد که در مقیاس زمانی زیر ثانیه رخ می‌دهد: تنظیم سریع بالا یا پایین کنترل صدا که به تعیین اهمیت این اتصال برای مکالمه در حال انجام کمک می‌کند، اما به زودی و پس از آن به حالت "عادی" باز می‌گردد. انعطاف پذیری سیناپسی طولانی مدت از دقیقه تا ساعت، روز یا سال طول می‌کشد. انعطاف پذیری بلندمدت مدل غالب برای نحوه ذخیره سازی اطلاعات توسط مغز است - به عبارت دیگر، برای نحوه ایجاد و یادآوری خاطرات جدید.
روش ارزیابی شده در مطالعه
ما دریافتیم که قرار دادن مدلی از یک لایه یا دولایه لیپیدی ساده در معرض تحریک الکتریکی - نه بی شباهت به تحریک مورد استفاده در مطالعات مغز – می‌تواند باعث تغییرات طولانی مدت شود. چیزی که این نتیجه را منحصر به فرد کرد این بود که ما قادر به ایجاد تغییراتی در مدل غشایی بودیم. علاوه بر این، انعطاف پذیری طولانی مدت در مدل ما تقریباً ۲۴ ساعت بدون هیچ گونه تحریک الکتریکی بیشتر باقی ماند. این نشان می‌دهد که غشای عصبی ممکن است مسئول ذخیره سازی حافظه باشد.
دولایه لیپیدی غشا
دولایه‌های لیپیدی این پتانسیل را دارند که به پلتفرم‌های نورومورفیک تبدیل شوند تا شکل پذیری سیناپسی پایدار را در قالب تقویت طولانی مدت (LTP یا ویژگی مرتبط با یادگیری و حافظه) از خود نشان دهند تا که در آن اجزای حافظه یک کامپیوتر بر اساس ساختار و عملکرد مغز انسان مدل‌سازی می‌شوند. شواهد نشان داده که، حتی در غیاب پپتید‌ها یا پروتئین‌ها، دولایه‌های لیپیدی قادر به شبیه سازی LTP از تشکیل LTP هیپوکامپ مشاهده شده در پستانداران و پرندگان هستند. بنابراین، داده‌ها از این تفسیر پشتیبانی می‌کنند که لایه دوگانه لیپیدی مدلی برای درک اساس مولکولی حافظه بیولوژیکی ارائه می‌کند و به عنوان یک هدف درمانی برای بیماری‌های مغزی که به دارو‌هایی که پروتئین‌ها را هدف قرار می‌دهند، پاسخ نمی‌دهند، به کارگرفته شوند. یافته‌های ما همچنین از دولایه لیپیدی به عنوان مدلی برای درک اساس مولکولی حافظه بیولوژیکی پشتیبانی می‌کند. در نهایت، اینکه دولایه لیپیدی نیز ممکن است برای درمان شرایط مختلف عصبی کاربردی باشد، از جمله برای مشخص کردن مکان و نحوه ذخیره حافظه در مغز که نه تنها نحوه درک ما از یادگیری و حافظه را متحول می‌کند، بلکه می‌تواند به توسعه درمان‌های جدید برای بیماری‌هایی مانند آلزایمر و پارکینسون نیز کمک کند.
