کشف مکانیسم فیلترینگ مخفی مغز در تصمیم‌گیری‌های حیاتی

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، محققان دانشگاه ییل و دانشگاه کنتیکت در یک کشف مهم به درک جدیدی از نحوه تصمیم‌گیری مغز حیوانات دست یافته‌اند. تحقیقات آنها نقش حیاتی سیناپس‌های الکتریکی در «فیلتر کردن» اطلاعات حسی را مورد بررسی قرار داده است.

مطالعه‌ای که در نشریه Cell منتشر شده است، نشان می‌دهد که یک آرایش خاص از سیناپس‌های الکتریکی به حیوانات این امکان را می‌دهد که تصمیمات مناسب را بر اساس زمینه (کانتکست) اتخاذ کنند، حتی زمانی که با سیگنال‌های حسی مشابه مواجه می‌شوند.

مغز حیوانات به طور مداوم تحت بمباران اطلاعات حسی از جمله تصاویر، صداها، بو‌ها و … قرار دارد. دانشمندان معتقدند که پردازش این اطلاعات نیازمند یک سیستم فیلترینگ پیچیده است که جزئیات مرتبط را اولویت‌بندی کرده و به حیوان این امکان را می‌دهد تا مطابق با شرایط عمل کند. این سیستم فیلتر تنها «صدای اضافه» را مسدود نمی‌کند، بلکه به طور فعال اطلاعات را بسته به وضعیت اولویت‌بندی می‌کند. فرآیند تمرکز بر اطلاعات حسی خاص و انجام رفتار خاص وابسته به زمینه را «انتخاب عمل» می‌نامند.

مدل کرم: C. elegans و ناوبری دمایی مطالعه‌ی هدایت‌شده توسط دانشگاه ییل بر روی یک کرم به نام C. elegans متمرکز بود که به طور شگفت‌انگیزی مدل قدرتمندی برای درک مکانیسم‌های عصبی انتخاب عمل فراهم می‌کند. این کرم قادر است دما‌های خاصی را ترجیح دهد؛ هنگامی که در یک گرادیان دمایی قرار می‌گیرد، از استراتژی ساده و مؤثری برای حرکت به سمت دمای مطلوب خود استفاده می‌کند.

کرم‌ها ابتدا در گرادیان به سمت دمای مورد علاقه‌شان حرکت می‌کنند (این رفتار «مهاجرت گرادیانی» نامیده می‌شود) و زمانی که دما‌های مطلوب را شناسایی کردند، دمای مورد نظر را دنبال می‌کنند که به آنها این امکان را می‌دهد تا در محدوده دمایی دلخواه خود باقی بمانند (این رفتار «پیگیری ایزوترمال» نامیده می‌شود). کرم‌ها همچنین می‌توانند این رفتار‌ها را به صورت خاص برای زمینه‌های مختلف انجام دهند، به طوری که زمانی که از دمای مطلوب خود دور هستند، مهاجرت گرادیانی را انجام می‌دهند و زمانی که نزدیک به دمای مطلوب خود هستند، پیگیری ایزوترمال را انجام می‌دهند.

اما چگونه آنها قادرند رفتار صحیح را در زمینه صحیح انجام دهند؟ در این مطالعه جدید، محققان به نوع خاصی از اتصال بین سلول‌های عصبی به نام سیناپس‌های الکتریکی پرداخته‌اند که با سیناپس‌های شیمیایی که بیشتر مطالعه شده‌اند تفاوت دارد. آنها دریافتند که این سیناپس‌های الکتریکی که توسط پروتئینی به نام INX-۱ واسطه‌گری می‌شوند، یک جفت خاص از نورون‌ها (نورون‌های AIY) را به هم متصل می‌کنند که مسئول کنترل تصمیمات حرکت کرم هستند.

دانیل کولون-راموس، استاد دانشکده پزشکی ییل و نویسنده مسئول این تحقیق، گفت: «تغییر در این مسیر الکتریکی در یک جفت از سلول‌ها می‌تواند آنچه که حیوان انتخاب می‌کند را تغییر دهد.»

تیم تحقیقاتی دریافت که این سیناپس‌های الکتریکی تنها سیگنال‌ها را منتقل نمی‌کنند، بلکه به عنوان یک «فیلتر» عمل می‌کنند. در کرم‌هایی که عملکرد طبیعی پروتئین INX-۱ را دارند، این ارتباط الکتریکی به طور مؤثر سیگنال‌های نورون‌های حسی دما را کاهش می‌دهد، به گونه‌ای که کرم قادر است تغییرات کوچک دما را نادیده بگیرد و بر تغییرات بزرگتر که در گرادیان دما تجربه می‌شود تمرکز کند. این کار باعث می‌شود که کرم‌ها به طور مؤثر در سراسر گرادیان حرکت کنند و به سمت دمای مطلوب خود بروند بدون اینکه تحت تأثیر سیگنال‌های نامربوط به زمینه، مانند آنهایی که در مسیر‌های ایزوترمال که در سراسر گرادیان وجود دارند، قرار گیرند.

عواقب اختلال در سیناپس‌های الکتریکی، اما در کرم‌هایی که فاقد پروتئین INX-۱ بودند، نورون‌های AIY بیش‌حساس شده و به شدت به نوسانات جزئی دما پاسخ می‌دهند. این بیش‌حساسیت باعث می‌شود که کرم‌ها به این سیگنال‌های کوچک واکنش نشان دهند و در ایزوترم‌هایی که دمای مطلوب آنها نیست گرفتار شوند. چنین ردیابی غیرعادی ایزوترم‌ها در زمینه‌های نادرست به طور منفی بر توانایی کرم‌ها در حرکت به سمت دمای مطلوب تأثیر می‌گذارد.

کولون-راموس گفت: «این مثل این است که یک پرنده گیج را ببینید که با پا‌های خود کشیده پرواز می‌کند. پرندگان معمولاً قبل از فرود پاهایشان را باز می‌کنند، اما اگر یک پرنده پاهایش را در زمینه اشتباهی باز کند، این برای رفتار و اهداف طبیعی آن مضر خواهد بود.»

از آنجا که سیناپس‌های الکتریکی در سیستم عصبی بسیاری از حیوانات، از جمله کرم‌ها و انسان‌ها، وجود دارند، نتایج این مطالعه پیامد‌های مهمی فراتر از رفتار کرم‌ها دارند.

کولون-راموس گفت: «دانشمندان می‌توانند از این اطلاعات برای بررسی اینکه چگونه ارتباطات در نورون‌های تک‌سلولی می‌توانند نحوه ادراک حیوانات از محیط خود و واکنش به آن را تغییر دهند، استفاده کنند. در حالی که جزئیات خاص انتخاب عمل ممکن است متفاوت باشد، اصل اساسی نقش سیناپس‌های الکتریکی در اتصال نورون‌ها برای تغییر پاسخ‌ها به اطلاعات حسی ممکن است در مقیاس وسیع کاربرد داشته باشد.»

برای مثال، در شبکیه چشم ما، گروهی از نورون‌ها به نام «سلول‌های آماکرین» از یک پیکربندی مشابه سیناپس‌های الکتریکی برای تنظیم حساسیت بصری هنگام سازگاری چشم‌ها با تغییرات نوری استفاده می‌کنند.

پیکربندی‌های سیناپسی نقشی مرکزی در نحوه پردازش اطلاعات حسی توسط حیوانات و سپس واکنش به آن ایفا می‌کنند و نتایج به‌دست‌آمده در این مطالعه جدید نشان می‌دهند که پیکربندی‌های سیناپس‌های الکتریکی نقش مهمی در تنظیم نحوه پردازش اطلاعات حسی خاص به زمینه در سیستم‌های عصبی و هدایت ادراک و رفتار در حیوانات دارند.