سیم کشی مغز توسط فعالیت هدایت می شود
در انسان، فرآیند یادگیری توسط گروه‌های مختلف سلول‌های مغز هدایت می‌شود که با هم شلیک می‌کنند. به عنوان مثال، هنگامی که نورون های مرتبط با فرآیند تشخیص سگ در پاسخ به سلول هایی که ویژگی های یک سگ را رمزگذاری می کنند – چهار پا، خز، دم و غیره – یک کودک خردسال شروع به شلیک می کنند. در نهایت قادر به شناسایی سگ ها در آینده خواهد بود. اما سیم کشی مغز قبل از تولد انسان، قبل از اینکه تجربیات یا حواس بینایی برای هدایت این مدار سلولی داشته باشد، آغاز می شود. چگونه این اتفاق می افتد؟
در مطالعه جدیدی که در 15 آگوست در Science منتشر شد، محققان ییل شناسایی کردند که چگونه سلول های مغزی در مراحل اولیه توسعه، قبل از اینکه تجربه فرصتی برای شکل دادن به مغز داشته باشد، شروع به ادغام در این شبکه سیمی می کنند. به نظر می رسد که توسعه بسیار اولیه از همان قوانین توسعه بعدی پیروی می کند – سلول هایی که به هم متصل می شوند. اما به جای اینکه تجربه نیروی محرکه باشد، فعالیت سلولی خود به خودی است.
مایکل کریر، نویسنده ارشد این مطالعه و پروفسور ویلیام زیگلر سوم علوم اعصاب در دانشکده پزشکی ییل گفت: «یکی از سؤالات اساسی که ما دنبال می‌کنیم این است که مغز چگونه در طول رشد سیم‌کشی می‌شود. “قوانین و مکانیسم هایی که بر سیم کشی مغز حاکم هستند چیست؟ این یافته ها به پاسخ به این سوال کمک می کند.”
برای این مطالعه، محققان بر روی سلول‌های گانگلیونی شبکیه موش تمرکز کردند که از شبکیه به ناحیه‌ای از مغز به نام colliculus برتر حرکت می‌کنند، جایی که به نورون‌های هدف پایین‌دست متصل می‌شوند. محققان به طور همزمان فعالیت یک سلول گانگلیونی شبکیه، تغییرات آناتومیکی که در آن سلول در طول تکامل رخ داده و فعالیت سلول های اطراف در موش های نوزاد بیدار که چشمانشان هنوز باز نشده بود را اندازه گیری کردند. این آزمایش از لحاظ فنی پیچیده با تکنیک های میکروسکوپی پیشرفته و پروتئین های فلورسنت که فعالیت سلولی و تغییرات آناتومیکی را نشان می دهد ممکن شد.
تحقیقات قبلی نشان داده است که قبل از اینکه تجربه حسی اتفاق بیفتد – به عنوان مثال، زمانی که انسان در رحم مادر است یا در روزهایی که موش های جوان چشمان خود را باز می کنند – فعالیت عصبی خود به خود ایجاد شده با هم ارتباط برقرار می کند و امواج را تشکیل می دهد. در مطالعه جدید، محققان دریافتند زمانی که فعالیت یک سلول گانگلیونی شبکیه به شدت با امواج فعالیت خود به خودی در سلول‌های اطراف هماهنگ می‌شود، آکسون تک سلولی – بخشی از سلول که به سلول‌های دیگر متصل می‌شود – شاخه‌های جدیدی رشد می‌کند. . زمانی که این فعالیت به خوبی هماهنگ نشد، شاخه های آکسون در عوض حذف شدند.
لیانگ لیانگ، نویسنده ارشد این مطالعه و استادیار علوم اعصاب در دانشکده پزشکی ییل، می‌گوید: «این به ما می‌گوید که وقتی این سلول‌ها با هم آتش می‌گیرند، ارتباط‌ها تقویت می‌شوند.» انشعاب آکسون‌ها اجازه می‌دهد تا ارتباطات بیشتری بین سلول گانگلیونی شبکیه و نورون‌هایی که فعالیت همگام‌سازی شده در مدار کولیکولوس برتر را به اشتراک می‌گذارند، ایجاد شود.
این یافته از آنچه به عنوان “قانون هب” شناخته می شود، پیروی می کند، ایده ای که توسط روانشناس دونالد هب در سال 1949 مطرح شد. در آن زمان هب پیشنهاد کرد که وقتی یک سلول به طور مکرر باعث شلیک سلول دیگر شود، ارتباطات بین آن دو تقویت می شود.
کریر که همچنین معاون پژوهشی و استاد چشم‌شناسی و علوم بصری است، می‌گوید: «قانون هب در روانشناسی برای توضیح پایه‌های یادگیری مغز بسیار کاربرد دارد. در اینجا نشان می‌دهیم که در مراحل اولیه رشد مغز با دقت درون سلولی نیز کاربرد دارد.
در مطالعه جدید، محققان همچنین توانستند تعیین کنند که تشکیل شاخه سلولی در کجای سلول بیشترین احتمال را دارد که اتفاق بیفتد، الگویی که زمانی که محققان هماهنگی بین سلول و امواج خود به خودی را مختل کردند، مختل شد.
فعالیت خود به خودی در طول رشد در چندین مدار عصبی دیگر از جمله در نخاع، هیپوکامپ و حلزون رخ می دهد. کریر گفت، در حالی که الگوی خاص فعالیت سلولی در هر یک از این مناطق متفاوت است، قوانین مشابه ممکن است بر نحوه سیم‌کشی سلولی در آن مدارها حاکم باشد.
در ادامه، محققان بررسی خواهند کرد که آیا این الگوهای انشعاب آکسون پس از باز شدن چشم‌های موش باقی می‌مانند و با تشکیل شاخه آکسون جدید چه اتفاقی برای نورون متصل به پایین دست می‌افتد.
لیانگ گفت: “آزمایشگاه های کریر و لیانگ به ترکیب تخصص ما در توسعه مغز و تصویربرداری تک سلولی ادامه خواهند داد تا بررسی کنند که چگونه مونتاژ و اصلاح مدارهای مغز توسط الگوهای دقیق فعالیت عصبی در مراحل مختلف رشد هدایت می شود.”
این تحقیق تا حدی توسط مؤسسه علوم اعصاب Kavli در دانشکده پزشکی ییل پشتیبانی شد.
دیدگاهتان را بنویسید