DNA سلول مغز مجددا خود را جمع می‌کند تا به یادآوری خاطرات کمک کند

منتشر‌شده در: مجله quanta به تاریخ ۲ نوامبر ۲۰۲۰
لینک منبع: Brain Cell DNA Refolds Itself to Aid Memory Recall

بیش از یک قرن پیش، جانورشناس، ریچارد سمون، اصطلاح «انگرام» را برای تعیین رد فیزیکی، مانند ردپا، که یک خاطره باید در مغز باقی بگذارد، ابداع کرد. از آن زمان به بعد، دانشمندان علوم اعصاب در تحقیقات خود درباره این که مغز ما دقیقا چگونه خاطرات را شکل می‌دهد، پیشرفت کرده‌اند. آن‌ها یاد گرفته‌اند که وقتی ما یک خاطره می‌سازیم، سلول‌های مغزی ویژه‌ای فعال می‌شوند و در زمان به‌یاد‌آوری آن‌ها نیز دوباره فعال شده و ارتباط بین نورون‌های درگیر را تقویت می‌کنند.

این تغییر باعث ایجاد خاطره برای ما می‌شود و به ما اجازه می‌دهد تا خاطراتی که بیشتر به یاد می‌آوریم را نگهداریم،‌ در حالی که بقیه خاطرات محو می‌شوند.

اما تغییرات فیزیکی دقیق درون نورون‌های ما که این تغییرات را ایجاد می‌کنند، تاکنون به سختی مشخص شده‌اند.

در مطالعه‌ای که ماه گذشته منتشر شد، محققان در موسسه تکنولوژی ماساچوست بخش مهمی از فرآیند ساخت حافظه را در مقیاس مولکولی در کروموزوم‌های سلول‌های انگرام ردیابی کردند. دانشمندان عصبی از قبل می‌دانستند که شکل‌گیری خاطره آنی نیست و اینکه عمل به یاد آوردن برای قفل کردن یک خاطره در مغز حیاتی است. این محققان در حال حاضر برخی از تجسم‌های فیزیکی آن مکانیزم را کشف کرده‌اند.

گروه MIT با موش‌هایی کار می‌کرد که یک مارکر فلورسنت متصل به ژنوم خود داشتند تا هر زمان که ژن Arc، که با ایجاد خاطره در ارتباط است، را نشان دادند، سلول‌هایشان را روشن کند. دانشمندان این موش‌ها را در یک مکان جدید قرار دادند و آن‌ها را آموزش دادند تا از یک سر و صدای خاص بترسند، سپس آن‌ها را چند روز بعد به این مکان بازگرداندند تا این خاطره را دوباره فعال کنند. در ناحیه مغزی که هیپوکامپ نامیده می‌شود، سلول‌های انگرام که این خاطره را تشکیل می‌دادند و به خاطر می‌آوردند، با رنگ روشن شده‌بودند و این موضوع جداسازی آن‌ها را از سلول‌های دیگر مغز در زیر میکروسکوپ در طول آزمایش‌های پس از مرگ آسان می‌کرد.

محققان با دقت در هسته این سلول‌های انگرام، تغییرات ریز دانه را در معماری کروماتین-ترکیب DNA و پروتئین‌های تنظیمی که کروموزوم‌ها را تشکیل می‌دهند-در هنگام ایجاد خاطره مشاهده کردند. بخش‌هایی از کروماتین به گونه‌ای سازماندهی شده‌اند که ژن‌های مرتبط با حافظه به راحتی می‌توانند وارد عمل شوند تا یک خاطره را تقویت و حفظ کنند. لی هوئی تسای، مدیر موسسه آموزش و حافظه پیکاور MIT و نویسنده ارشد این مطالعه، گفت: « اساسا کل فرآیند شکل‌گیری حافظه یک رویداد آماده‌سازی است.»

آماده‌شدن برای یک خاطره

این نتیجه‌گیری از ابتدای آزمایش مشخص نبود. درست بعد از تشکیل خاطره، تفاوت‌های زیادی در نحوه نشان‌دادن ژن‌ها توسط سلول‌های انگرام وجود نداشت. اما محققان متوجه برخی تغییرات ساختاری در کروماتین سلول‌ها شدند: مناطق خاصی از DNA قابل‌دسترس‌تر شدند، به گونه‌ای تغییر کردند که پروتئین‌های کروماتین و دیگر گسترش‌های DNA، آن‌ها را پوشش ندادند. این باعث می‌شود که ژن‌های موجود در آن DNA برای بهبوددهنده‌ها قابل‌دسترس‌تر باشند؛ عناصر ژنتیکی که می‌توانند فعال‌سازی ژن‌ها را افزایش دهند.

چند روز بعد، محققان تغییرات بیشتری را مشاهده کردند. DNA خودش را از نو تنظیم کرده بود به طوری که بسیاری از این افزایش‌دهنده‌ها به ژن‌های خاصی که هدف قرار داده بودند نزدیک‌تر شده‌بودند. با این وجود، هنوز تغییرات چشمگیری در نحوه نشان‌دادن ژن‌ها وجود نداشت. اسف مارکو، عضو فوق‌دکترا در MIT و مولف ارشد این تحقیق گفت: « من در آن زمان واقعا افسرده بودم. این اصلا منطقی نبود.»

اما وقتی موش‌ها دوباره در محیطی که این خاطره را ساخته بودند قرار گرفتند، موجی از نشان دادن ژن به دنبال آن شکل گرفت. تغییرات ساختاری برای افزایش‌دهنده‌ها همسو با این الگوهای فعال‌سازی، منجر به اتصالات قوی‌تر بین نورون‌های درگیر می‌شود. این زمانی بود که مارکو متوجه شد که تغییرات ساختاری در کروماتین، در حال آماده‌سازی سلول‌ها برای تقویت خاطرات در زمان به‌یادآورده‌شدن بوده.

استیو رامیرز، استادیار علوم روانشناسی و مغز در دانشگاه بوستون توضیح داد: « این تقریبا مانند گرم کردن برای ورزش است.» زمانی که یک خاطره شکل می‌گیرد، سلول‌های انگرام برای نشان دادن ژن‌هایی که ارتباطات بین آن‌ها را ایجاد و تقویت می‌کنند، آماده می‌شوند. با این حال، وقتی خاطره دوباره به ذهن فراخوانده می‌شود، سلول‌ها تنها می‌توانند از این تغییرات پنهان نهایت استفاده را ببرند. او گفت: « آن‌ها آماده اجرا و شروع روند یادآوری هستند. این ایده بسیار وسوسه‌انگیز است.»

در طول دهه گذشته یا بیشتر، چندین گروه که تحقیقات برروی انگرام انجام می‌دهند، به این مشکوک شده‌اند که تغییرات ساختاری در کروماتین سلول را برای ایجاد و حفظ خاطرات تحریک می‌کند. ایوا زوکیک، استادیار روانشناسی در دانشگاه تورنتو، گفت: «همه ما در این باره فکر کردیم، اما این یک مقاله واقعا عالی است که آن را نشان می‌دهد.» علاوه بر این، تحقیق گروه MIT این مفهوم را با انواع جدید شواهد، تفکیک مراحل شکل‌گیری خاطره و یادآوری یکپارچه کرد تا ببیند چه زمانی این تغییرات ساختاری نقش خود را ایفا می‌کنند. زوکیک گفت: «این مستقیم‌ترین روش بین تمام کارهایی است که تا الان انجام شده.»

رامیرز گفت: فن‌آوری‌های جدیدی که می‌توانند تغییرات ژنتیکی و سلولی را در مقیاس بسیار کوچک تجزیه و تحلیل کنند، در چند سال گذشته رنسانسی در علم اعصاب انگرام به وجود آورده‌اند. اتصال تغییرات مولکولی به سیستم‌های مغزی و به رفتار به تازگی ممکن شده‌است. او گفت: «یکی از هیجان‌انگیزترین چیزها در مورد این مقاله این بود که واقعا در این سطح بی‌سابقه به سرعت وارد عمل شد. دیدن چنین تصمیمی واقعا جادویی است.»

بررسی معماری

با این حال، حتی ساده‌ترین ابزارها هم نمی‌توانند شکل‌گیری خاطره را در حیوانات زنده انقدر از نزدیک دنبال کنند، بنابراین دانشمندان نمی‌توانند تشکیل خاطره در انسان را نیز از نزدیک مشاهده کنند. این فرآیندها در موش‌ها مورد مطالعه قرار گرفتند و سلول‌های انسان، بخاطر پیچیده‌تر بودن خاطرات و تداخل آن‌ها، ممکن است از الگوهای مشابهی پیروی نکنند. شاون لیو، استادیار فیزیولوژی و بیوفیزیک سلولی در دانشگاه کلمبیا، می‌گوید: «در این مرحله، ارزیابی میزان تعمیم‌پذیری پژوهش‌ درباره انسان‌ها بسیار دشوار است.»

اما موش‌ها و انسان‌ها مدارهای حافظه مشترکی دارند. این مطالعه سلول‌های هیپوکامپ، یک ساختار خمیده نزدیک مرکز مغز در هر دو گونه که برای یادگیری و حافظه حیاتی هستند را مورد بررسی قرار داد. تفاوت‌های بین هیپوکامپ انسان و موش، قابلیت اجرای نتایج مطالعه را نشان می‌دهد، اما در این زیر حوزه جدید، آن‌ها نقاط داده قانع‌کننده‌ای هستند. تسای گفت: «آماده‌سازی به عنوان مدلی برای توضیح شکل‌گیری خاطره بسیار جذاب است.»

رامیرز گفت: آزمایش‌های بیشتر مانند این آزمایش می‌تواند اینکه کدام سلول‌های مغز از این الگوها پیروی می‌کنند را محدود کنند و بررسی کند که این الگوها برای انواع مختلف خاطرات یک‌سان هستند یا نه-چه لحظات احساسی باشند، چه مهارت‌های فیزیکی و چه اطلاعات بصری که مغز شما آن‌ها را نگه می‌دارد. این امر می‌تواند به یک اصل گسترده‌تر در مورد چگونگی تشکیل خاطرات منجر شود، که می‌تواند به نوبه خود به سمت درمان برای شرایطی مانند اختلال استرس پس از ضربه روحی یا بیماری آلزایمر اشاره کند؛ که در آن خاطرات بیش از حد مقاوم هستند و یا به اندازه کافی پایدار نیستند. درک در سطح مولکولی از این که مغز چگونه برخی از خاطرات را پایدار نگه‌می‌دارد و برخی دیگر را از یاد می‌برد می‌تواند فرصت‌هایی برای تاثیر گذاری بر پیری، یادگیری و دیگر فرآیندهای ضروری ایجاد کند.

چیزهای بیشتری برای یادگیری در مورد این تغییرات در ساختار کروماتین وجود دارد. بسیاری از انواع عوامل محیطی، مانند تغذیه یا استرس، می‌توانند آرایش DNA و پروتئین‌ها را در کروماتین تغییر دهند. مطالعات بیشتر می‌تواند بخش‌های زیادی از DNA که ایجاد پروتئین‌ها را هدایت نمی‌کنند و یا اثرات آشکار دیگری در مغز دارند را بررسی کند.

مارکو گفت: « ما در حال حاضر ۹۵ درصد ژنوم را نادیده می‌گیریم.» به او یاد داده شد که اسمش را DNA آشغال (junk DNA) بگذارد. اما مانند افزایش‌دهنده‌ها که این جنبه از کدگذاری حافظه را هدایت می‌کنند، بقیه این ژن‌ها نیز ممکن است نقش‌های مهمی داشته باشند. او گفت: « اگرچه ما ژنوم را نقشه‌برداری کردیم، هنوز چیزی درباره بخش زیادی از آن نمی‌دانیم.»

این متن با استفاده از ربات ترجمه مقالات ژنتیک ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.