نقش آستروسیت در تثبیت حافظه و اهمیت سیگنال های تصادفی کلسیم

تحقیقات علمی جدید نشان می دهند که آستروسیت ها با تولید سیگنال های الکتریکی تصادفی و آزادسازی پروتئین های حیاتی، نقشی فراتر از پشتیبانی ساده ایفا می کنند و درک ما از نقش آستروسیت در تثبیت حافظه بلندمدت را به طور اساسی تغییر داده اند.

یه مطالعه جدید این دیدگاه سنتی رو که نورون ها تنها معماران حافظه در مغز هستن، به چالش کشیده. محقق ها متوجه شدن که آستروسیت ها، که یه جور سلول پشتیبان ستاره ای شکل هستن، سیگنال های الکتریکی تصادفی تولید می کنن. این کشف جدید بر نقش آستروسیت در تثبیت حافظه تاکید دارد و نشان می دهد که این سلول ها برای تثبیت خاطرات بلندمدت حیاتی ان. این تحقیق که در نشریه «مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم» (PNAS) منتشر شده، نشون می ده که مغز برای پایدار کردن مدارهای عصبی، از یه عنصر پیش بینی ناپذیر استفاده می کنه.

برای دهه ها، دانشمندای علوم اعصاب آستروسیت ها رو عمدتا به عنوان «چسب» سیستم عصبی می دیدن. تصور می شد این سلول های گلیال فقط پشتیبانی ساختاری و مواد مغذی رو برای نورون ها فراهم می کنن. با گذشت زمان، این دیدگاه تغییر کرد، چون شواهدی به دست اومد که نشون می داد آستروسیت ها فعالانه در پیام رسانی مغز شرکت می کنن. اونا به پیام رسان های شیمیایی که از نورون ها آزاد می شن، با شراره های کلسیمی داخلی خودشون پاسخ می دن. این تغییر دیدگاه در نهایت به درک عمیق تر نقش آستروسیت در تثبیت حافظه منجر شد.

با این حال، آستروسیت ها فعالیت های خودبه خودی هم از خودشون نشون می دن که به نظر نمی رسه توسط هیچ ورودی عصبی خاصی تحریک شده باشن. این نوسانات کلسیمی در مناطق خیلی کوچیک و موضعی سلول به اسم «میکرودومین ها» اتفاق می افتن. چون این اتفاقات تصادفی به نظر می رسن، عملکردشون تا الان یه معما باقی مونده بود.

تیمی از محقق ها به سرپرستی گابریل لوسی و بئاتریس وینولی، همراه با نویسندگان ارشد جورجیو کارمینیوتو و مارکو کانوسا، سعی کردن بفهمن که آیا این نویز پس زمینه هدفی داره یا نه. اونا روی قشر پری رینال (perirhinal cortex) تمرکز کردن. این بخش از مغز مسئول حافظه بازشناسیه، مثل تشخیص اشیاء آشنا.

نقش آستروسیت در تثبیت حافظه؛ مکانیسم های کشف شده

فرضیه محقق ها این بود که این سیگنال های تصادفی ممکنه روی نحوه تثبیت خاطرات توسط مغز در طول زمان تاثیر بذارن. تثبیت حافظه فرآیندیه که طی اون یه ردپای موقت حافظه به یه حافظه موندگار تبدیل می شه. این موضوع اغلب به پدیده ای به اسم «تقویت طولانی مدت» بستگی داره.

تقویت طولانی مدت به تقویت پایدار سیناپس ها، یعنی همون محل اتصال نورون ها، اشاره داره. وقتی نورون ها به طور مکرر با هم شلیک می کنن، اتصالشون قوی تر می شه. این تقویت سیناپسی، پایه و اساس سلولی یادگیریه.

برای آزمایش این فرضیه، تیم تحقیق از تکنیک های تصویربرداری پیشرفته برای مشاهده فعالیت آستروسیت ها در بافت مغز موش استفاده کردن. اونا از یک نشانگر کلسیم استفاده کردن که وقتی سطح کلسیم داخل سلول بالا می ره، می درخشه. این بهشون اجازه داد تا فعالیت های لرزان میکرودومین ها رو به صورت لحظه ای دنبال کنن.

محقق ها تایید کردن که این جرقه های کلسیمی به صورت خودبه خودی رخ می دن. حتی وقتی محقق ها از سموم برای قطع شلیک الکتریکی نورون های مجاور استفاده کردن، این فعالیت ها همچنان ادامه داشت. این ثابت کرد که آستروسیت ها این سیگنال ها رو به طور مستقل تولید می کنن. این فعالیت مستقل برای نقش آستروسیت در تثبیت حافظه بسیار حائز اهمیت است.

بعد، تیم بررسی کرد که آیا این فعالیت خودبه خودی روی تقویت سیناپس ها تاثیر داره یا نه. اونا نورون ها رو برای ایجاد تقویت طولانی مدت تحریک کردن. در شرایط عادی، اتصال سیناپسی برای ساعت ها قوی باقی موند.

بعدش محقق ها از یه ابزار ژنتیکی برای کم کردن سیگنال دهی کلسیم در آستروسیت ها استفاده کردن. وقتی جرقه های کلسیمی خودبه خودی سرکوب شدن، تقویت سیناپسی از بین رفت. اتصال در ابتدا قوی تر شد اما در عرض حدودا یه ساعت به سطح اولیه خودش برگشت.

این نتیجه نشون داد که اگرچه نورون ها می تونن یه ردپای حافظه رو شروع کنن، اما بدون کمک آستروسیت ها نمی تونن اون رو حفظ کنن. این یافته ها به وضوح ارتباط بین فعالیت آستروسیت ها و پایداری حافظه را نشان می دهد و بر نقش آستروسیت در تثبیت حافظه تاکید می کند. محقق ها مکانیسم مولکولی پشت این شکست رو پیدا کردن. اونا به پروتئینی به نام «فاکتور نوروتروفیک مشتق از مغز» یا همون BDNF نگاه کردن.

BDNF مثل یه کود برای سلول های مغزی عمل می کنه و باعث رشد و بقای اونا می شه. این مطالعه نشون داد که جرقه های کلسیمی خودبه خودی باعث می شن آستروسیت ها BDNF آزاد کنن. بعد این پروتئین به گیرنده های خاصی روی نورون ها به اسم گیرنده های TrkB متصل می شه.

فعال موندن این گیرنده ها برای تثبیت تغییرات در سیناپس لازمه. ماهیت تصادفی و تکرار شونده سیگنال های آستروسیت تضمین می کنه که BDNF در یک دوره طولانی آزاد بشه. این کار زمانِ لازم برای نورون ها رو افزایش می ده تا اتصالشون رو محکم کنن.

برای اثبات اینکه BDNF همون حلقه مفقوده بود، دانشمندان این پروتئین رو مستقیما به بافت مغزی که فعالیت آستروسیت ها در اون مسدود شده بود، اضافه کردن. تامین خارجی BDNF باعث نجات تقویت سیناپسی شد. ردپای حافظه درست مثل یه مغز سالم باقی موند.

شواهد رفتاری و نقش آستروسیت در تثبیت حافظه

تیم تحقیق بعد از نمونه های بافتی، سراغ رفتار حیوانات زنده رفتن. اونا از یه ارزیابی استاندارد حافظه به اسم «تست تشخیص اشیاء» استفاده کردن. در این کار، موش ها زمانی رو صرف گشت و گذار و بررسی دو شیء کاملا مشابه می کنن.

بعدا، یکی از اشیاء با یه شیء جدید جایگزین می شه. موش هایی که حافظه نرمال دارن، زمان بیشتری رو صرف بررسی شیء جدید می کنن. این نشون می ده که اونا شیء قبلی و آشنا رو به یاد میارن.

محقق ها آستروسیت های موش ها رو طوری مهندسی کردن که بتونن روی زمان فعالیتشون کنترل داشته باشن. اونا می تونستن با استفاده از یه داروی شیمیایی خاص، سیگنال های کلسیم خودبه خودی رو خاموش کنن. این بهشون اجازه داد فعالیت آستروسیت ها رو در لحظات دقیق فرآیند حافظه مختل کنن.

وقتی محقق ها بلافاصله بعد از اینکه موش ها اشیاء رو یاد گرفتن، آستروسیت ها رو مهار کردن، حیوانات 24 ساعت بعد در تست شکست خوردن. اونا هر دو شیء رو به یک اندازه بررسی کردن، که نشون می داد یادشون رفته کدوم یکی آشنا بوده. یادگیری اولیه انجام شده بود، اما حافظه بلندمدت شکل نگرفته بود.

با این حال، اگه محقق ها برای مهار آستروسیت ها تا چند ساعت بعد از یادگیری صبر می کردن، حافظه دست نخورده باقی می موند. این نشون داد که فعالیت خودبه خودی فقط در یک پنجره زمانی حساس بعد از تجربه لازمه. آستروسیت ها پشتیبانی شیمیایی لازم رو برای پایدار کردن مدار در زمانی که حافظه هنوز تازه است، فراهم می کنن.

این مطالعه روی ماهیت تصادفی این فرآیند تاکید می کنه. اتفاقات کلسیمی در میکرودومین ها از الگوی خاصی پیروی نمی کنن. اونا ذاتا غیرقابل پیش بینی هستن.

نویسنده ها پیشنهاد می کنن که این تصادفی بودن یه نقص نیست، بلکه یه ویژگیه. ممکنه یه عنصر احتمالی رو به ذخیره سازی حافظه وارد کنه. مغز با درگیر کردن تصادفی بخش های مختلف آستروسیت، ممکنه انتخاب کنه کدوم اتصالات سیناپسی ارزش حفظ کردن دارن.

این مکانیسم تضمین می کنه که هر فعالیت عصبی زودگذری به یه حافظه دائمی تبدیل نشه. فقط اون اتصالاتی که پشتیبانی شیمیایی مداوم رو از آستروسیت ها دریافت می کنن، موندگار می شن. فعالیت تصادفی مثل یه فیلتر برای حفظ اطلاعات عمل می کنه.

یافته ها همچنین رابطه بین پاسخ های برانگیخته و پاسخ های خودبه خودی رو روشن می کنه. وقتی نورون ها سریع شلیک می کنن، می تونن باعث واکنش کلسیمی بزرگی در بدنه اصلی (soma) آستروسیت بشن. اما این پاسخ اصلی برای تثبیت حافظه کافی نیست.

جرقه های موضعی و تصادفی میکرودومین ها از پاسخ کلی سلول متمایز هستن. اونا به صورت مستقل عمل می کنن. این یه لایه پیچیدگی به نحوه پردازش اطلاعات توسط سلول های غیرعصبی اضافه می کنه.

در این تحقیق نکاتی وجود داره که باید در نظر گرفت. این مطالعه روی موش ها انجام شده و فیزیولوژی مغز انسان از نظر پیچیدگی متفاوته. اینکه آیا این مکانیسم دقیق در انسان ها هم به همین شکل عمل می کنه یا نه، هنوز باید تایید بشه.

علاوه بر این، منبع دقیق این تصادفی بودن نیاز به بررسی بیشتری داره. با اینکه سیگنال ها تصادفی به نظر می رسن، احتمالا فرآیندهای درون سلولی زیربنایی، فراوانی و توزیع اونا رو کنترل می کنن. درک این محرک ها گام ضروری بعدی هست.

تحقیقات آینده احتمالا روی این موضوع تمرکز می کنن که این مکانیسم چطور در مورد انواع دیگه حافظه صدق می کنه. همچنین بررسی نقش هیجان در حافظه و کشف مسیرهای عصبی جدید می تواند لایه های دیگری از این فرآیند را روشن کند. قشر پری رینال تشخیص اشیاء رو بر عهده داره، اما مناطق دیگه مثل هیپوکامپ حافظه فضایی و اپیزودیک (رویدادی) رو مدیریت می کنن. آستروسیت ها در اون مناطق ممکنه رفتار متفاوتی داشته باشن.

محقق ها همچنین قصد دارن پیامدهای این موضوع رو در اختلالات مغزی بررسی کنن. مشکلات در تثبیت حافظه از ویژگی های بارز بیماری هایی مثل آلزایمره. نقص در سیگنال دهی آستروسیت ها می تونه یه عامل تاثیرگذار در کاهش نقش آستروسیت در تثبیت حافظه باشد.

اگه فعالیت خودبه خودی آستروسیت ها در بیماری های تخریب کننده اعصاب کاهش پیدا کنه، می تونه توضیح بده که چرا خاطرات جدید ثبت نمی شن. بازیابی این سیگنال دهی تئوریکا می تونه یه راه درمانی باشه. این یه مسیر حدسی اما امیدوارکننده برای تحقیقات پزشکی آینده است.

در نهایت، این کار جایگاه آستروسیت رو ارتقا می ده. این تحقیق نشون می ده که توانایی ما برای به یاد آوردن گذشته، به سوسو زدن تصادفی سلول هایی بستگی داره که زمانی فکر می شد تماشاچیان غیرفعالی هستن. این مطالعات جدید، درک ما را از نقش آستروسیت در تثبیت حافظه تغییر داده است. به نظر می رسد پایداری مغز به یه عنصر بنیادی از آشوب متکیه.

این مطالعه با عنوان «فعالیت خودبه خودی آستروسیت ها یک سیگنال عملکردی تصادفی برای تثبیت حافظه است»، توسط گابریل لوسی، بئاتریس وینولی، روکو گراناتا، آناماریا لیا، میکائلا زونتا، گابریل سانسورو، فرانچسکا پیشدا، آنجلا کیاوه گاتو، اسپارتاکو سانتی، لورنا زنتیلین، نیکولتا براردی، جیان میکله راتو، جورجیو کارمینیوتو و مارکو کانوسا نوشته شده است.

شناخت دقیق نحوه عملکرد سلول های غیرعصبی در مغز، دریچه های جدیدی را به سوی درمان های نوآورانه باز می کند. تمرکز بر تقویت سیگنال های خودبه خودی آستروسیت ها می تواند در آینده به بهبود کیفیت زندگی افرادی که از اختلالات حافظه رنج می برند، کمک شایانی نماید.

Random signals in support cells help cement long-term memories