راز بزرگ: چگونه نورون‌ها زمان را برای یادگیری کدگذاری می‌کنند

تحقیقات جدید درباره نحوه کدگذاری اطلاعات توسط نورون‌ها

تحقیقات جدیدی که از موسسه ماکس پلانک فلوریدا در زمینه علوم اعصاب منتشر شده است، مرحله کلیدی در نحوه کدگذاری اطلاعات توسط نورون‌ها را شناسایی کرده است. این تحقیق که در هفته جاری در مجله Nature منتشر شد، به عدم تطابق زمانی در فرآیند یادگیری اشاره دارد. یادگیری معمولاً چند ثانیه تا چند دقیقه طول می‌کشد، در حالی که بهترین مکانیزم‌های شناخته شده برای کدگذاری اطلاعات در مغز با سرعتی نزدیک به فعالیت نورونی، یعنی حدود ۱۰۰۰ برابر سریع‌تر از زمان یادگیری، عمل می‌کنند.

این مکانیزم‌ها که به نام پلاستیسیته هب شناخته می‌شوند، نشان می‌دهند که اگر دو نورون متصل در یک صدم ثانیه هر دو فعال باشند، ارتباط بین این دو نورون تقویت می‌شود. به این ترتیب، اطلاعاتی که در این بازه زمانی کوتاه به نورون‌های متصل می‌رسد، می‌تواند به هم مرتبط شود. اما در حین رفتار، اطلاعاتی که باید به طور همزمان کدگذاری شوند، معمولاً با فاصله‌ای از چند ثانیه تا چند دقیقه از هم جدا هستند. پس چگونه نورون‌ها می‌توانند اطلاعات را در زمان‌های مرتبط با یادگیری ادغام کنند؟

مدل جدید یادگیری

به تازگی، یک مدل عصبی جدید از کدگذاری اطلاعات به نام پلاستیسیته سیناپسی مقیاس رفتاری (BTSP) این تناقض را با نشان دادن اینکه نورون‌ها می‌توانند اطلاعات را در بازه‌های زمانی چند ثانیه‌ای ادغام کنند، برطرف کرده است. این زمان با رفتار انسان‌ها همخوانی دارد. در واقع، در رفتارهایی مانند ناوبری، نورون‌ها مکان‌های خاص را از طریق BTSP کدگذاری می‌کنند. با این حال، مکانیزم‌های مولکولی که نورون‌ها برای پیاده‌سازی BTSP استفاده می‌کنند، هنوز ناشناخته بودند.

این هفته، تیم تحقیقاتی به رهبری دکتر آنت جان، دکتر یوشی‌هیس ناگاهاتا و دکتر ریوئی یاسودا جنبه‌های کلیدی نحوه عملکرد BTSP در نورون‌ها را شناسایی کردند و نتایج سال‌ها تحقیق خود را در این مدل حیاتی از پلاستیسیته گزارش کردند. دکتر یاسودا در توضیح انگیزه تیم برای این پروژه می‌گوید: “درک مولکول‌ها و مکانیزم‌های دقیق که نورون‌ها برای کدگذاری اطلاعات استفاده می‌کنند، برای فهم عملکرد و سلامت مغز حیاتی است. تحقیقات در این زمینه عمدتاً بر مدل‌های پلاستیسیته سنتی متمرکز بوده است که ممکن است کمتر به یادگیری در طول تجربه مرتبط باشند. بررسی مکانیزم‌های مولکولی که زیرساخت مدل‌های جدید پلاستیسیته، مانند BTSP، را تشکیل می‌دهند، بسیار مهم است.”

اولین چالش تیم، مدل‌سازی BTSP در بافت مغز ایزوله بود، جایی که می‌توانستند تغییرات نورونی حاصل را به دقت اندازه‌گیری کنند. محققان توانستند BTSP را با ورودی‌هایی که با فاصله تقریباً ۱ ثانیه‌ای ارسال می‌شدند، تحریک کنند و تأیید کردند که زمان ادغام اطلاعات برای ذخیره‌سازی افزایش یافته است. همچنین تیم دریافت که BTSP در سیناپس‌های منفرد اتفاق می‌افتد که این ویژگی برای خاص بودن در کدگذاری اطلاعات حیاتی است.

ترکیب اندازه‌گیری‌های الکتروفیزیولوژیکی و میکروسکوپی برای بررسی تغییرات مولکولی

با ترکیب اندازه‌گیری‌های الکتروفیزیولوژیکی فعالیت نورونی با میکروسکوپی تخصصی و بیوسنسورها، تیم تحقیقاتی توانست تغییرات مولکولی در زمان واقعی را که در طول BTSP (پدیده‌ای در نورون‌ها) رخ می‌دهد، مشاهده کند و نقش آن‌ها را تعیین کند.

CaMKII: همان بازیکن، نقش متفاوت

تیم تحقیقاتی بر روی مولکولی به نام CaMKII تمرکز کرد که به خاطر نقش حیاتی‌اش در انواع مختلف پلاستیسیته در نورون‌ها شناخته شده است. دکتر جین توضیح داد: “ما فرض کردیم که CaMKII برای BTSP حیاتی خواهد بود. این مولکول در سیناپس‌ها فعال می‌شود و ممکن است برای چندین ثانیه فعال باقی بماند. به نظر می‌رسید که این مولکول گزینه مناسبی برای ایفای نقش کلیدی در گسترش زمان ادغام اطلاعات در نورون‌ها باشد.”

او ادامه داد: “خوب، معلوم شد که ما درست فکر کرده بودیم — CaMKII برای BTSP حیاتی بود، اما کاملاً در مورد نقش آن اشتباه کرده بودیم.” زمانی که تیم تحقیقاتی عملکرد CaMKII را مختل کرد، BTSP نیز مختل شد. آن‌ها خواستند فعالیت CaMKII را در نورون‌ها در طول فرآیند BTSP مشاهده کنند و یک بیوسنسور را بهینه‌سازی کردند تا گزارشی از زمان فعال بودن CaMKII ارائه دهد. با استفاده از این سنسور بهینه‌شده جدید که حساسیت آن تقریباً دو برابر ابزارهای قبلی بود، دانشمندان توانستند فعالیت CaMKII را در طول BTSP اندازه‌گیری کنند.

با این حال، آن‌ها آنچه را که انتظار داشتند، پیدا نکردند. برخلاف فرضیه آن‌ها، هیچ فعالیت قابل تشخیصی از CaMKII در طول القای BTSP مشاهده نشد. در عوض، فعال‌سازی تأخیری و تصادفی CaMKII چندین ثانیه پس از شروع BTSP رخ داد. علاوه بر این، در حالی که پلاستیسیته در یک سیناپس خاص در حال وقوع بود، CaMKII در ناحیه‌ای بسیار بزرگ‌تر از نورون فعال بود.

تحقیقات نشان داد که CaMKII یک سیگنال راهنما برای BTSP است، اما خاصیت سیناپسی پلاستیسیته را تعریف نمی‌کند. این یافته‌ها زمان وسیعی برای پلاستیسیته سیناپسی و یک مدل جدید از چگونگی ادغام سیگنال‌های خاص سیناپسی و راهنما را در طول ده‌ها ثانیه پیشنهاد می‌کند. دکتر جین می‌گوید: “این یک تغییر پارادایمی در دیدگاه ما نسبت به عملکرد CaMKII و درک ما از مکانیزم‌های پلاستیسیته است. فعالیت CaMKII در طول دندریت نشان می‌دهد که این مولکول خاصیت سیناپسی پلاستیسیته را تعریف نمی‌کند، بلکه در پردازش اطلاعات دندریتی دخیل است.”

او افزود: “نتایج ما سوالات بیشتری را برای تحقیقات آینده باز کرده است، از جمله اینکه چه چیزی خاصیت کدگذاری اطلاعات در سیناپس‌های منفرد را تعریف می‌کند یا دلیل تأخیر زمانی در فعال‌سازی CaMKII چیست.” یافته‌های شگفت‌انگیز اهمیت مدل‌های مرتبط با رفتار در کدگذاری اطلاعات در مغز را برای رسیدن به هدف نهایی ما، یعنی پیوند فعالیت مولکولی با تشکیل حافظه و پیشگیری از اختلالات عصبی مرتبط با یادگیری و اختلالات حافظه، تأکید می‌کند.