ابزار مولکولی جدید برای مطالعه نرون‌های مغزی

نورون‌ها، سلول‌های اصلی سیستم عصبی بوده و سیگنال‌هایی که بین آنها منتقل می شود مسئول کلیه اعمال و توانایی شناختی ما هستند. به طور ویژه، اعتقاد بر این است که یادگیری و حافظه با فرایندی به نام "تقویت طولانی مدت" همراه است که این تقویت از طریق بهبود اتصالات بین نورون‌های خاص از طریق ادامه انتقال سیگنال میان‌ "سیناپس‌ها" (شکاف های کوچک بین نورون ها) انجام می‌شود. تقویت طولانی مدت می‌تواند ارتباط بین سلول‌های عصبی را از طریق سیناپس، با تغییر اندازه و ترکیب شیمیایی آنها ، تغییر دهد. درک اینکه چگونه تقویت طولانی مدت اتفاق می‌افتد می تواند برای تشریح نحوه یادگیری و حفظ دانش جدید مغز ما ارزشمند باشد. به تازگی تیمی از دانشمندان ژاپنی برای درک بهتر تقویت طولانی‌مدت گام‌های قابل توجهی برداشته‌اند.

یکی از راه‌های مطالعه تقویت طولانی‌مدت استفاده از "اپتوژنتیک" است، یعنی فعال‌سازی سلول های عصبی و نظارت بر پاسخ‌های آنها هنگام تحریک با نور. اپتوژنتیک به دانشمندان اجازه می‌دهد تا سلول‌های عصبی منفرد را فعال کرده و نحوه کار این سلول‌ها را در شبکه‌های عصبی مشاهده کنند. به همین ترتیب، اپتوژنتیک پیشرفت انقلابی در تحقیقات علوم اعصاب ایجاد می‌کند، اما ابزارهای اپتوژنتیک برای اصلاح سیناپس‌های منفرد، تاکنون توسعه نیافته‌اند.

این یک موضوع بسیار مهم است زیرا مسیرهای سیگنالینگ عصبی ممکن است اثرات ویژه داشته باشند. به طور خاص، پروتئین "CaMKII"، که برای تقویت طولانی مدت حیاتی است، توسط مولکول "گلوتامات" فعال می شود، اما دقیقاً آنچه در هنگام فعال‌سازی در سیناپس ها اتفاق می افتد، به صورت یک راز باقی مانده است.

یک تیم تحقیقاتی در موسسه ملی علوم فیزیولوژی ژاپن به سرپرستی دکتر هیدجی موراکوشی این مسئله را حل کردند. این تیم CaMKII را با یک دامنه خاص از گیرنده نوری گیاه (نوعی سلول که به نور پاسخ می دهد) ترکیب کرد. این دامنه به نام "LOV2-Jα" باعث حساسیت CaMKII به نور شد، پس از آن آنها این CaMKII قابل فعال شدن با نور را در انواع مختلف نورون‌های جدا شده و در موش‌های زنده بیان کردند.

دکتر موراکوشی توضیح می دهد: «ما بسیار هیجان زده بودیم که متوجه شدیم فعال‌سازی CaMKII برخی تأثیرات مهم را ایجاد می کند، به ویژه جذب گیرنده هایی که باعث واکنش زنجیره‌ای شده و منجر به تقویت طولانی مدت می‌شود.»

 این فرآیند به طور فیزیکی بخش دندریتیک را تغییر داده و آنها را گسترش می دهد، نتیجه‌ای که دانشمندان در آزمایش های خود مشاهده کردند. نکته مهم این است که همه آنچه برای این فرآیند لازم بود فعال سازی CaMKII بود، به عبارت دیگر، فعال سازی CaMKII برای تقویت طولانی مدت پایانه‌های دندریتیک فردی، کافی بود. این تیم همچنین از فناوری تصویربرداری مبتنی بر نور و CaMKII فعال شده با نور برای تعیین اینکه چه مولکول‌های سیگنالینگی در طول تقویت طولانی مدت فعال می‌شوند، استفاده کردند. همه این یافته‌ها با هم ترکیب می شوند و تصویر بهتری از چگونگی تقویت طولانی مدت در سطح سیناپس ارائه می دهند.

دکتر موراکوشی گقت: «علاوه بر اطلاعات ارزشمندی که در مورد یک فرآیند عصبی مهم کشف کردیم، نشان دادیم که CaMKII فعال شده با نورمی‌تواند به عنوان یکی از ابزارهای تحقیقات ژنتیک استفاده شود.ما چیزی را ایجاد کرده‌ایم که می‌تواند برای دستکاری سیگنالینگ عصبی و بررسی انعطاف‌پذیری سیناپسی یا تغییرات فیزیولوژیکی که در سیناپس‌های فردی در طی حوادثی مانند تشکیل حافظه اتفاق می افتد ، مورد استفاده قرار گیرد.»

نتایج یافته‌های آنها در مجله Nature Communications منتشر شده است.

دانشمندان خوش بین هستند که با پیشرفت بیشتر، توانایی دستکاری سیناپس‌ها نیز پیامدهای مهمی در درمان بیماری‌های مغزی (مانند اوتیسم) دارد، این یک اتفاق شگفت‌انگیز در حوزه علوم اعصاب است!