فعالیت مغز را از همان ابتدای رشد هدایت می‌کند

چگونگی شکل‌گیری شبکه‌های عصبی در مغز انسان

در انسان‌ها، فرآیند یادگیری تحت تأثیر گروه‌های مختلفی از سلول‌ها در مغز قرار دارد که به‌طور همزمان فعالیت می‌کنند. به عنوان مثال، زمانی که نورون‌های مربوط به شناسایی یک سگ به‌طور هماهنگ در پاسخ به سلول‌هایی که ویژگی‌های یک سگ را کدگذاری می‌کنند — مانند چهار پا، مو، دم و غیره — فعال می‌شوند، یک کودک کوچک در نهایت می‌تواند سگ‌ها را شناسایی کند. اما سیم‌کشی مغز قبل از تولد انسان آغاز می‌شود، پیش از آنکه آن‌ها تجربیات یا حواسی مانند بینایی داشته باشند که این مدارهای سلولی را هدایت کند. این فرآیند چگونه اتفاق می‌افتد؟

در یک مطالعه جدید که در تاریخ ۱۵ اوت در مجله Science منتشر شد، محققان دانشگاه ییل شناسایی کردند که چگونه سلول‌های مغزی در اوایل توسعه به یک شبکه سیم‌کشی شده تبدیل می‌شوند، پیش از اینکه تجربه‌ای فرصتی برای شکل‌دهی به مغز داشته باشد. به نظر می‌رسد که توسعه بسیار زودهنگام از همان قوانینی پیروی می‌کند که توسعه‌های بعدی دارند — سلول‌هایی که به‌طور همزمان فعالیت می‌کنند، به هم متصل می‌شوند. اما به جای اینکه تجربه نیروی محرکه باشد، این فعالیت‌های خودجوش سلولی هستند که نقش اصلی را ایفا می‌کنند.

مایکل کریر، نویسنده همکار این مطالعه و استاد علوم اعصاب در دانشکده پزشکی ییل، گفت: «یکی از سوالات بنیادی که ما در حال بررسی آن هستیم این است که مغز چگونه در طول توسعه سیم‌کشی می‌شود. قوانین و مکانیزم‌هایی که بر سیم‌کشی مغز حاکم هستند چیست؟ این یافته‌ها به پاسخ به این سوال کمک می‌کنند.»

در این مطالعه، محققان بر روی سلول‌های گانگلیونی شبکیه موش‌ها تمرکز کردند که از شبکیه به ناحیه‌ای از مغز به نام کالیوس فوقانی پروجکشن دارند و در آنجا به نورون‌های هدف پایین‌دستی متصل می‌شوند. آن‌ها به‌طور همزمان فعالیت یک سلول گانگلیونی شبکیه، تغییرات آناتومیکی که در طول توسعه در آن سلول رخ می‌دهد و فعالیت سلول‌های اطراف در موش‌های نوزاد بیدار که هنوز چشمانشان باز نشده بود را اندازه‌گیری کردند. این آزمایش پیچیده از نظر فنی با استفاده از تکنیک‌های میکروسکوپی پیشرفته و پروتئین‌های فلورسانت که فعالیت سلولی و تغییرات آناتومیکی را نشان می‌دهند، ممکن شد.

تحقیقات قبلی نشان داده‌اند که قبل از اینکه تجربه حسی بتواند رخ دهد — به عنوان مثال، زمانی که انسان‌ها در رحم هستند یا در روزهای قبل از اینکه موش‌های جوان چشمانشان را باز کنند — فعالیت‌های نورونی خودجوش شکل می‌گیرد و امواجی را تشکیل می‌دهد.

تحقیقات جدید درباره رشد شاخه‌های آکسون در سلول‌های گانگلیون شبکیه

در یک مطالعه جدید، پژوهشگران دریافتند که هنگامی که فعالیت یک سلول گانگلیون شبکیه به شدت با امواج فعالیت خودجوش در سلول‌های اطراف هم‌زمان باشد، آکسون آن سلول — بخشی از سلول که به سلول‌های دیگر متصل می‌شود — شاخه‌های جدیدی ایجاد می‌کند. اما در مواردی که فعالیت به خوبی هم‌زمان نباشد، شاخه‌های آکسون به جای آن حذف می‌شوند. لیانگ لیانگ، نویسنده همکار ارشد این مطالعه و استادیار علوم اعصاب در دانشکده پزشکی ییل، گفت: “این به ما می‌گوید که وقتی این سلول‌ها به طور هم‌زمان فعالیت می‌کنند، ارتباطات تقویت می‌شوند.” او افزود: “شاخه‌دار شدن آکسون‌ها اجازه می‌دهد تا ارتباطات بیشتری بین سلول گانگلیون شبکیه و نورون‌های هم‌زمان در مدار کالیوس فوقانی برقرار شود.”

این یافته‌ها با آنچه که به عنوان “قانون هب” شناخته می‌شود، مطابقت دارد؛ ایده‌ای که توسط روانشناس دونالد هب در سال 1949 مطرح شد. در آن زمان، هب پیشنهاد کرد که وقتی یک سلول به طور مکرر باعث فعالیت سلول دیگری می‌شود، ارتباطات بین این دو تقویت می‌شود. کریر، که همچنین معاون پژوهش و استاد علوم بینایی و چشم‌پزشکی است، گفت: “قانون هب در روانشناسی به طور گسترده‌ای برای توضیح پایه‌های مغزی یادگیری استفاده می‌شود. اکنون ما نشان می‌دهیم که این قانون همچنین در طول توسعه اولیه مغز با دقت زیرسلولی اعمال می‌شود.”

در این مطالعه جدید، پژوهشگران توانستند تعیین کنند که در کدام بخش از سلول، تشکیل شاخه‌ها بیشتر احتمال دارد. الگویی که زمانی که پژوهشگران هم‌زمانی بین سلول و امواج خودجوش را مختل کردند، دچار اختلال شد. فعالیت خودجوش در طول توسعه در چندین مدار عصبی دیگر، از جمله در نخاع، هیپوکامپ و حلزون گوش نیز رخ می‌دهد. در حالی که الگوی خاص فعالیت سلولی در هر یک از این نواحی متفاوت خواهد بود، ممکن است قوانین مشابهی بر چگونگی شکل‌گیری اتصالات سلولی در آن مدارها حاکم باشد، به گفته کریر.

در آینده، پژوهشگران بررسی خواهند کرد که آیا این الگوهای شاخه‌دار شدن آکسون پس از باز شدن چشم‌های موش‌ها ادامه می‌یابد و چه اتفاقی برای نورون‌های متصل به پایین می‌افتد زمانی که یک شاخه آکسون جدید تشکیل می‌شود. لیانگ گفت: “آزمایشگاه‌های کریر و لیانگ به همکاری در تخصص‌های خود در توسعه مغز و تصویربرداری سلولی ادامه خواهند داد تا بررسی کنند که چگونه ساخت و اصلاح مدارهای مغزی تحت تأثیر الگوهای دقیق فعالیت عصبی در مراحل مختلف توسعه قرار می‌گیرد.”

این تحقیق بخشی از حمایت‌های مؤسسه کافلی علوم اعصاب در دانشکده پزشکی ییل بود.