آیا نورون‌های آزمایشگاهی قدرت تغییرپذیری 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 محیط کشت رشد می‌کنند، به نظر نمی‌رسد 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 به‌طور دقیق نمایانگر نحوه یادگیری مغز واقعی نیستند؛ بنابراین نمی‌توانیم نتایج گسترده‌ای از مطالعه آن‌ها به دست آوریم.

اما اگر بتوانیم نورون‌های کشت‌شده در آزمایشگاه را به گونه‌ای توسعه دهیم که رفتار طبیعی‌تری داشته باشند، چه می‌شود؟ یک تیم تحقیقاتی در دانشگاه توهوکو از دستگاه‌های میکروفلوئیدیک استفاده کرده است تا شبکه‌های نورونی بیولوژیکی را بازسازی کند که اتصالات آن‌ها شبیه به آنچه در سیستم عصبی حیوانات وجود دارد، باشد. آن‌ها نشان دادند که این شبکه‌ها الگوهای فعالیت پیچیده‌ای از خود نشان می‌دهند که می‌توانند با تحریک مکرر بازپیکربندی شوند. این یافته شگفت‌انگیز ابزارهای جدیدی را برای مطالعه یادگیری و حافظه فراهم می‌آورد.

نتایج این تحقیق در تاریخ ۲۳ نوامبر ۲۰۲۴ در نشریه Advanced Materials Technologies به صورت آنلاین منتشر شد. در برخی نواحی مغز، اطلاعات به صورت “گروه‌های نورونی” یا انسامبل‌های نورونی که همزمان فعال می‌شوند، کدگذاری و ذخیره می‌شود. این انسامبل‌ها 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: گامی به سوی درک بهتر یادگیری و حافظه

هیدئاکی یاماموتو از دانشگاه توهوکو می‌گوید: “دلیل نیاز به پرورش 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 کنترل‌شده بررسی کنند. تقاضا برای این نورون‌ها این است که تا حد امکان به واقعیت نزدیک باشند.

مدل ویژه‌ای برای اتصال نورون‌ها

تیم تحقیقاتی یک مدل خاص با استفاده از یک دستگاه میکروفلوئیدیک ایجاد کرد؛ دستگاهی 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 می‌کنند، تیم تحقیقاتی توانستند کنترل کنند که نورون‌ها چقدر با یکدیگر تعامل دارند.

نتایج جالب از شبکه‌های نورونی

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

پتانسیل فناوری میکروفلوئیدیک

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