آیا نورون‌های آزمایشگاهی قدرت یادگیری دارند؟

پلاستیسیته عصبی و شبکه‌های نورونی در آزمایشگاه

عبارت “نورون‌هایی که همزمان فعال می‌شوند، به هم متصل می‌شوند” به پلاستیسیته عصبی در مغز انسان اشاره دارد، اما نورون‌هایی که در آزمایشگاه رشد می‌کنند، به نظر نمی‌رسد که این قوانین را دنبال کنند. نورون‌هایی که در شرایط آزمایشگاهی کشت می‌شوند، شبکه‌های تصادفی و بی‌معنایی تشکیل می‌دهند که همه به طور همزمان فعال می‌شوند. این شبکه‌ها به درستی نمایانگر نحوه یادگیری مغز واقعی نیستند؛ بنابراین، تنها می‌توانیم نتیجه‌گیری‌های محدودی از مطالعه آن‌ها داشته باشیم.

توسعه نورون‌های طبیعی در آزمایشگاه

اما اگر بتوانیم نورون‌های کشت شده در آزمایشگاه را به گونه‌ای توسعه دهیم که رفتار طبیعی‌تری داشته باشند، چه؟ یک تیم تحقیقاتی در دانشگاه توهوکو از دستگاه‌های میکروفلوئیدیک برای بازسازی شبکه‌های نورونی بیولوژیکی استفاده کرده است که اتصالاتی مشابه با آنچه در سیستم عصبی حیوانات وجود دارد، دارند. آن‌ها نشان دادند که این شبکه‌ها الگوهای فعالیت پیچیده‌ای از خود نشان می‌دهند که قادر به تنظیم مجدد از طریق تحریک مکرر هستند. این یافته شگفت‌انگیز ابزارهای جدیدی برای مطالعه یادگیری و حافظه فراهم می‌آورد.

انتشار نتایج تحقیق

نتایج این تحقیق در تاریخ ۲۳ نوامبر ۲۰۲۴ در مجله Advanced Materials Technologies به صورت آنلاین منتشر شد. در برخی نواحی مغز، اطلاعات به عنوان “گروه‌های نورونی” یا مجموعه‌هایی از نورون‌ها که همزمان فعال می‌شوند، کدگذاری و ذخیره می‌شود. این مجموعه‌ها بر اساس سیگنال‌های ورودی از محیط تغییر می‌کنند که به عنوان پایه عصبی یادگیری و به خاطر سپردن ما در نظر گرفته می‌شود. با این حال، مطالعه این فرآیندها با استفاده از مدل‌های حیوانی به دلیل ساختار پیچیده آن‌ها دشوار است.

توسعه نورون‌ها در آزمایشگاه: نیاز و کاربردها

هیدئاکی یاماموتو از دانشگاه توهوکو می‌گوید: “دلیل نیاز به رشد نورون‌ها در آزمایشگاه این است که سیستم‌ها بسیار ساده‌تر هستند.” نورون‌های پرورش‌یافته در آزمایشگاه به دانشمندان این امکان را می‌دهند که چگونگی عملکرد یادگیری و حافظه را در شرایط کاملاً کنترل‌شده بررسی کنند. تقاضا برای این نورون‌ها به گونه‌ای است که باید تا حد ممکن به واقعیت نزدیک باشند.

مدل‌سازی نورون‌ها با استفاده از فناوری میکروفلوئیدیک

تیم تحقیقاتی یک مدل ویژه با استفاده از دستگاه میکروفلوئیدیک ایجاد کرد؛ یک چیپ کوچک با ساختارهای سه‌بعدی ریز. این دستگاه به نورون‌ها اجازه می‌دهد تا به هم متصل شوند و شبکه‌هایی مشابه با آنچه در سیستم عصبی حیوانات وجود دارد، تشکیل دهند. با تغییر اندازه و شکل تونل‌های ریز (که میکروکانال نامیده می‌شوند) که نورون‌ها را به هم متصل می‌کند، تیم تحقیقاتی توانستند کنترل کنند که نورون‌ها چقدر با هم تعامل داشته باشند.

نتایج و کشفیات

محققان نشان دادند که شبکه‌هایی با میکروکانال‌های کوچکتر می‌توانند مجموعه‌های نورونی متنوع‌تری را حفظ کنند. به عنوان مثال، نورون‌های درون‌کشت شده در دستگاه‌های سنتی تمایل داشتند تنها یک مجموعه را نشان دهند، در حالی که نورون‌های پرورش‌یافته با میکروکانال‌های کوچکتر تا شش مجموعه را نشان دادند. علاوه بر این، تیم تحقیقاتی دریافت که تحریک مکرر این مجموعه‌ها را تنظیم می‌کند و فرآیندی شبیه به پلاستیسیته عصبی را نشان می‌دهد، گویی که سلول‌ها در حال بازپیکربندی هستند.

آینده فناوری میکروفلوئیدیک

این فناوری میکروفلوئیدیک به همراه نورون‌های درون‌کشت می‌تواند در آینده برای توسعه مدل‌های پیشرفته‌تری که قادر به تقلید از عملکردهای خاص مغز، مانند تشکیل و یادآوری حافظه‌ها باشند، مورد استفاده قرار گیرد.