دانشمندان چینی با یک موفقیت خیرهکننده، توانستند برای نخستین بار لحظه بسیار کوتاهی را که در آن نورونها در مغز یکدیگر را «میبوسند»، ثبت کنند. این رویداد که تنها در مقیاس میلیثانیه رخ میدهد، در واقع هسته اصلی و حیاتی چگونگی انتقال سیگنالهای عصبی در شبکه پیچیده مغز است. این کشف مهم، که مدیون توسعه یک فناوری تصویربرداری انقلابی است، سرانجام به یک مناقشه علمی دهساله در مورد سازوکار دقیق آزادسازی انتقالدهندههای عصبی (نوروترانسمیترها) توسط کیسههای ذخیرهکننده (وزیکولهای سیناپسی) پایان داد.
این دستاورد بزرگ توسط تیمی متشکل از محققان دانشگاه علم و فناوری چین (USTC) و مؤسسات فناوری پیشرفته شنژن (وابسته به آکادمی علوم چین) محقق شد. این تیم موفق به ساخت اولین دوربین جهان شدند که قادر است این رویدادهای فوقالعاده سریع و در مقیاس نانومتری را در زمان متوقف کرده و ثبت کند. کار علمی آنها که در مجلات معتبر این ماه منتشر شد، نه تنها یک مسئله قدیمی را حل کرد، بلکه یک پیشرفت عمده و بیسابقه در زمینه تصویربرداری علوم اعصاب و درک مکانیسمهای بنیادین عملکرد مغز محسوب میشود.
تلاش ۱۵ ساله برای ثبت پدیدهای نامرئی
مغز انسان برای انتقال سیگنال به ارتباط کارآمد و دقیق بین میلیاردها نورون وابسته است. این سیگنالها از طریق کیسههای سیناپسی (Synaptic Vesicles) منتقل میشوند؛ کیسههای میکروسکوپی که انتقالدهندههای عصبی را ذخیره و آزاد میکنند.
بیش از ۵۰ سال بود که دانشمندان در این مورد بحث میکردند که آیا این کیسهها به طور کامل با غشای سلولی ادغام میشوند («فروپاشی کامل») یا اینکه صرفاً به صورت بسیار کوتاه لمس کرده و سپس عقبنشینی میکنند («بوسه و فرار» یا Kiss-and-Run).
به گزارش نشریه South China Morning Post (SCMP)، این راز به دلیل مقیاس نانومتری و زمانبندی میلیثانیهای این فرآیند، پابرجا مانده بود؛ مسائلی که ثبت آنها با میکروسکوپهای سنتی تقریباً غیرممکن بود. برای غلبه بر این مشکل، تیم تحت هدایت USTC، ۱۵ سال وقت صرف توسعه یک پلتفرم میکروسکوپ الکترونی کرایوژنیک با دقت زمانی و مکانی بیسابقهای کردند.
نتیجه این تلاش، یک سیستم توموگرافی الکترونی کرایو سلولی مبتنی بر زمان (time-resolved cellular cryo-ET) است که میتواند فعالیتهای عصبی را در فواصل میلیثانیهای و با وضوح نانومتری تصویربرداری کند. با استفاده از این سیستم، دانشمندان توانستند کل فرآیند اگزوسیتوز کیسه سیناپسی را به صورت بلادرنگ مشاهده کنند.
مدل «kiss-shrink-run»
محققان با ترکیب تحریک اپتوژنتیک (روشی که نورونها را با نور فعال میکند) و فرآیند انجماد سریع، بیش از ۱۰۰۰ تصویر توموگرافی از سیناپسهای هیپوکامپ موش صحرایی را ثبت کردند.
این تصاویر که در فواصل زمانی بین ۰ تا ۳۰۰ میلیثانیه پس از فعالسازی منجمد شده بودند، یک دنباله از رویدادها را آشکار ساختند که دو مدل متضاد انتقال عصبی را با یکدیگر آشتی میدهد:
- بوسه (Kiss): در عرض چهار میلیثانیه پس از فعالسازی، کیسه یک منافذ ادغامی کوچک، به عرض حدود چهار نانومتر، تشکیل داد.
- کوچکشدن (Shrink): سپس، سطح کیسه به سرعت تقریباً به نصف کاهش یافت.
- فرار (Run): تا ۷۰ میلیثانیه، بیشتر کیسهها جدا شده و از طریق مسیر «فرار» بازیافت شدند، در حالی که درصد کمتری، دچار فروپاشی کامل در غشای پیشسیناپسی شدند.
نتیجهگیری نهایی این تحقیق، همانطور که در نشریه معتبر Science خلاصه شده است، توصیف یک سازوکار یکپارچه و بهینهسازی شده به نام «بوسه-کوچکشدن-فرار» برای فرآیند انتقال سیناپسی است. این مدل جدید و جامع نشان میدهد که فرآیند حیاتی ارتباطات عصبی در مغز، رفتاری نه کاملاً گذرا (مانند مدل «بوسه و فرار») و نه کاملاً برگشتناپذیر (مانند مدل «فروپاشی کامل») دارد.
در عوض، «بوسه-کوچکشدن-فرار» یک فرآیند ترکیبی و هوشمند است که به شکل دقیق برای رسیدن به بالاترین سرعت و کارآیی در انتقال سیگنالها در سراسر سیستم عصبی بهینهسازی شده است. این کشف، درک ما را از نحوه مدیریت زمان و انرژی توسط نورونها برای ارسال پیامهای حیاتی به سطح جدیدی ارتقا میدهد.
پل زدن میان مناقشات قدیمی و امکانات جدید
استلا هارتلی، معاون سردبیر مجله معتبر Science، با تأکید بر اهمیت این کشف، اشاره کرد که این مکانیسم جدید «مدلهای متضاد آزادسازی انتقالدهندههای عصبی را یکپارچه میکند و مبانی کارآیی و قابلیت اطمینان سیناپسی را به روشنی توضیح میدهد.» این تأیید از سوی جامعه علمی نشاندهنده دستاورد محققان در حل یک تناقض بنیادین است.
همچنین، دانشگاه علم و فناوری چین (USTC) در بیانیهای که در گزارش SCMP منتشر شد، اعلام کرد که این موفقیت عظیم، «یک چشمانداز جدید و ضروری برای تعمیق درک ما از نحوه پردازش اطلاعات عصبی و عملکردها و مکانیسمهای بیماریهای مغزی مرتبط فراهم میکند.» علاوه بر این، دانشگاه تأکید کرد که پلتفرم تصویربرداری جدید به هیچ وجه محدود به نورونها نیست و میتواند برای مطالعه سایر فرآیندهای سریع درون سلولی، مانند نحوه تهاجم ویروسی به سلولها و فرآیند ترشح سلولی نیز مورد استفاده قرار گیرد که کاربردهای گستردهای در زیستشناسی و پزشکی دارد.
با ثبت دقیق و بیسابقه گذراترین ارتباطات مغزی در حال وقوع، این تیم تحقیقاتی نه تنها به یک مناقشه علمی ۵۰ ساله در علوم اعصاب پایان دادند، بلکه دریچهای تازه و هیجانانگیز برای کاوش دقیقتر در ماشینآلات سلولی حیات در جزئیاتی بیسابقه باز کردند. یافتههای جامع و بنیادین این تحقیق در ژورنال برجسته Science منتشر شده است.
دیدگاه ها