سیم‌کشی متفاوت مغز انسان برای حافظه

کشف رازهای مغز انسان

مغز انسان، که به عنوان یک جعبه سیاه شناخته می‌شود، به تدریج در حال باز شدن است. اگرچه مدل‌های حیوانی در شکل‌دهی به درک ما از مغز پستانداران نقش حیاتی دارند، اما داده‌های محدود انسانی به ما کمک می‌کند تا ویژگی‌های مهمی را کشف کنیم. در مقاله‌ای که در نشریه Cell منتشر شده، تیمی به رهبری گروه یونس در مؤسسه علم و فناوری اتریش (ISTA) و جراحان مغز و اعصاب از دانشگاه پزشکی وین، به بررسی ناحیه CA3 هیپوکامپ انسان پرداخته‌اند که نقش مرکزی در ذخیره‌سازی حافظه دارد.

بسیاری از ما لحظات دزدیده‌شده با پدربزرگ و مادربزرگ‌هایمان در کنار شومینه را به یاد داریم؛ لحظاتی که قلب‌مان به تپش می‌افتاد و به داستان‌های جذاب آن‌ها از روزهای خوب گذشته گوش می‌دادیم، داستان‌هایی که با تصاویری زنده و کمی خیال‌پردازی روایت می‌شدند. مغز انسان ظرفیت شگفت‌انگیزی برای ذخیره و یادآوری خاطرات در طول زندگی دارد. یک فضای فیزیکی، یک بو یا یک موقعیت آشنا می‌تواند به تنهایی یک خاطره را به یاد بیاورد و مغز ما از این ارتباطات برای تکمیل الگوها استفاده می‌کند. اگرچه مغز انسان برای این منظور بهینه‌سازی شده است، اما ما هنوز در حال درک چگونگی ادغام اطلاعات درباره محیط اطراف‌مان هستیم.

این فرآیند تکمیل الگوها ویژگی محاسباتی شگفت‌انگیزی از مغز ما است که به آن حافظه تداعی‌ای می‌گویند. بخش عمده‌ای از دانش ما درباره مغز از مدل‌های حیوانی به خوبی مطالعه‌شده، مانند جوندگان، ناشی می‌شود که برای علم ضروری هستند. اما آیا مغز انسان فقط یک نسخه بزرگ‌شده از مغز موش است یا ویژگی‌های خاصی دارد که آن را انسانی می‌سازد؟ اکنون، محققان مؤسسه علم و فناوری اتریش (ISTA) و جراحان مغز و اعصاب در دانشگاه پزشکی وین به بررسی چگونگی شکل‌گیری و بازیابی حافظه‌های تداعی‌ای در مغز انسان پرداخته‌اند.

مغز انسان، نه یک «مغز موش بزرگ»

مرکز یادگیری و حافظه تداعی‌ای در مغز، هیپوکامپ است. درون آن، ناحیه‌ای به نام CA3 مسئول ذخیره و پردازش اطلاعات و تکمیل الگوها است. به دلیل کمبود مواد انسانی سالم، بیشتر مطالعات تا کنون بر روی مدل‌های حیوانی متمرکز بوده‌اند. یونس و واتسون با همکاری راسلر، جراح مغز و اعصاب متخصص در درمان اشکال مقاوم به درمان صرع، این مشکل را حل کردند. یونس می‌گوید: «در حالی که بیماران تحت جراحی مغز و اعصاب دارای تنوع بالایی از نشانه‌ها هستند، پروفسور راسلر یک زیرجمعیت از بیماران صرع را شناسایی کرد که هیپوکامپ سالمی داشتند.»

محققان نمی‌توانستند این فرصت را از دست بدهند. یونس توضیح می‌دهد: «در این نوع صرع، برداشتن یک طرفه هیپوکامپ ضروری است تا بیماران فرصتی برای بهبودی و زندگی بدون صرع داشته باشند.» بنابراین، تیم توانست با کسب رضایت آگاهانه، بافت هیپوکامپ سالم را از ۱۷ بیمار صرع به دست آورد. محققان با ترکیب تکنیک‌های پیشرفته آزمایشی — ضبط چندسلولی patch-clamp برای اندازه‌گیری ویژگی‌های عملکردی دینامیک نورون‌ها و میکروسکوپی فوق‌رزولوشن — به یافته‌های شگفت‌انگیزی دست یافتند.

مغز انسان به هیچ وجه یک نسخه بزرگ‌شده از هیپوکامپ موش نیست. اتصال‌های عصبی در ناحیه CA3 انسان کمتر متراکم بود و سیناپس‌ها — اتصالاتی که اجازه می‌دهند سیگنال‌ها بین نورون‌ها منتقل شوند — به نظر می‌رسید که قابل اعتمادتر و دقیق‌تر هستند. بنابراین، تیم ویژگی‌های متمایز سیم‌کشی مغز انسان را کشف کرد.

«احساس می‌کردیم که هیچ چیزی نمی‌دانیم»

با وجود تفاوت‌های مهم در ساختار سلولی و اتصال سیناپسی هیپوکامپ انسان نسبت به موش‌ها و رت‌ها، داده‌های مدل‌های حیوانی همچنان بسیار مهم هستند.

مروری بر تحقیق جدید در زمینه بافت مغز انسان

این تحقیق به عنوان یک مرجع عمل کرده و به دانشمندان کمک می‌کند تا فناوری‌های لازم برای مطالعه بافت انسانی را توسعه دهند. واتسون می‌گوید: “با توجه به سابقه‌ام در کار با جوندگان، احساس می‌کردم که همه چیز درباره هیپوکامپوس شناخته شده است.” او ادامه می‌دهد: “به محض اینکه شروع به بررسی نمونه‌های بیمار کردم، متوجه شدم که چقدر درباره هیپوکامپوس انسان نمی‌دانیم. با اینکه این منطقه از مغز در جوندگان به خوبی مطالعه شده است، اما احساس می‌کردم که هیچ چیز درباره فیزیولوژی انسان، سازمان سلولی یا اتصالات آن نمی‌دانیم.”

بنابراین، با توجه به تجربه‌شان در کار با بافت هیپوکامپوس جوندگان، واتسون و یوناس نیاز داشتند تا راه‌های جدیدی برای بررسی این بخش از مغز در انسان پیدا کنند.

مدل‌سازی قدرت محاسباتی مغز انسان

با استفاده از داده‌های تجربی خود، این تیم به دنبال ساخت مدلی از قدرت محاسباتی شبکه CA3 در هیپوکامپوس انسان بودند. آن‌ها متوجه شدند که مدارهای خاص انسان و اتصالات سیناپسی به آن‌ها این امکان را می‌دهد که اندازه‌گیری کنند که چقدر حافظه‌ها به طور قابل اعتماد ذخیره و بازیابی می‌شوند. یوناس می‌گوید: “ما می‌توانستیم آزمایش کنیم که چند الگو در این مدل جا می‌گیرد. این به ما کمک کرد تا نشان دهیم که اتصالات سیناپسی نازک و قابلیت اطمینان بالای سیناپسی خاص انسان، ظرفیت ذخیره‌سازی را افزایش می‌دهد.”

به عبارت دیگر، آن‌ها کشف کردند که چگونه شبکه CA3 انسان اطلاعات را به طور مؤثری کدگذاری می‌کند تا ارتباطات و ذخیره‌سازی حافظه را به حداکثر برساند.

بهترین روز در حرفه یک فیزیولوژیست

این مطالعه به تغییر نحوه درک دانشمندان و متخصصان بهداشت از مغز انسان کمک می‌کند. یوناس می‌گوید: “کار ما نیاز به بازنگری در درک‌مان از مغز از منظر انسانی را نشان می‌دهد. تحقیقات آینده در زمینه مدارهای مغزی، حتی اگر از مدل‌های جوندگان استفاده شود، باید با در نظر گرفتن مغز انسان انجام شود.”

به گفته دانشمندان، این کار نتیجه هم‌افزایی بین جراح مغز و اعصاب مناسب و فیزیولوژیست‌های مناسب است. واتسون تأکید می‌کند: “پروفسور راسلر بسیار مشتاق به ترویج تحقیقات پایه است و تکنیک‌های پیشرفته‌ای برای استخراج بافت بیمار در بهترین شرایط ممکن برای بررسی آزمایشگاهی توسعه داده است.”

این همکاری به محققان ISTA دسترسی به یک منبع نادر در علم داده است: بافت مغز انسان سالم و زنده. از آنجا که در دسترس بودن بافت به جراحی‌ها بستگی داشت، دانشمندان فقط هر چند ماه یک بار مواد زیستی جدید دریافت می‌کردند. این موضوع بر لجستیک آزمایشگاه آن‌ها تأثیر گذاشته است: آن‌ها اغلب نیاز داشتند که تمام پروژه‌های استفاده‌کننده از مواد غیرانسانی را به طور ناگهانی متوقف کرده و فضا را برای دریافت و بررسی نمونه‌های جدید انسانی خالی کنند.

واتسون می‌گوید: “فکر کردن به اینکه بیمار مبتلا به صرع که صبح همان روز تحت جراحی مغز قرار گرفته بود، در بیمارستان در حال بهبودی بود در حالی که ما در حال بررسی یک برش سالم و زنده از بافت مغز او بودیم، احساس غیرواقعی داشت.” او ادامه می‌دهد: “به یاد می‌آورم که بهترین روز در حرفه‌ام به عنوان یک فیزیولوژیست، زمانی بود که اولین بافت‌های انسانی به آزمایشگاه ما رسید.”

اطلاعات درباره نمونه‌های بافت انسانی بیماران

نمونه‌های بافت انسانی با رضایت آگاهانه بیماران از ۱۷ فرد مبتلا به صرع لوب تمپورال به دست آمد. این کار توسط کمیته اخلاق دانشگاه پزشکی وین (MUW) تأیید شده است (شماره EK: 2271/2021). اطلاعات بیشتر را می‌توان در بخش مدل تجربی و جزئیات شرکت‌کنندگان مطالعه پیدا کرد.

اطلاعات درباره نمونه‌های بافت پس از مرگ انسان

سه بلوک (هر کدام تقریباً ۱ سانتی‌متر مکعب) از بافت پس از مرگ از بانک بیوبانک مغز سالم در آمستردام (NABCA) به دست آمد (توافق پروژه METC: 2023.0733؛ درخواست کمیته اخلاق ISTA: 2023-03). اطلاعات بیشتر را می‌توان در بخش مدل تجربی و جزئیات شرکت‌کنندگان مطالعه پیدا کرد.

اطلاعات درباره مطالعات حیوانی

برای درک بهتر فرآیندهای بنیادی، به ویژه در زمینه‌های علوم اعصاب، ایمنی‌شناسی یا ژنتیک، استفاده از حیوانات در تحقیقات ضروری است. هیچ روش دیگری، مانند مدل‌های سیلیکونی، نمی‌تواند به عنوان جایگزینی عمل کند. حیوانات طبق مقررات سختگیرانه پرورش، نگهداری و درمان می‌شوند. تحقیقات با حیوانات در ISTA انجام شده است.