عدم فعالیت مداوم خود به خود – دانشمندان نوع جدیدی از حالت حافظه را کشف کردند

محققان دانشگاه UCLA مکانیسم حافظه جدیدی را در مغز کشف کرده اند که مصرف انرژی را کاهش می دهد و ذخیره سازی حافظه را بهبود می بخشد و به طور بالقوه بینش جدیدی در مورد بیماری آلزایمر و سایر اختلالات حافظه ارائه می دهد.

تحقیقات UCLA Health یک وضعیت حافظه جدید به نام عدم فعالیت خود به خودی مداوم را شناسایی کرده است.

UCLA Health محققان فرآیندی را شناسایی کرده اند که یادآوری می کند و در عین حال هزینه های متابولیک را کاهش می دهد، حتی در هنگام خواب. این حافظه موثر در ناحیه ای از مغز که برای یادگیری و حافظه ضروری است، قرار دارد، جایی که در آن نیز وجود دارد آلزایمر بیماری رخ می دهد.

این کشف در مجله منتشر شد ارتباطات طبیعت.

آیا این آشنا به نظر می رسد: شما برای گرفتن چیزی به آشپزخانه می روید، اما وقتی به آنجا می رسید، فراموش می کنید که چه می خواستید. این یک شکست حافظه کاری شما است. حافظه کاری به عنوان به خاطر سپردن اطلاعات برای مدت کوتاهی در حین انجام کارهای دیگر تعریف می شود. ما تقریباً همیشه از حافظه کاری استفاده می کنیم. بیماران مبتلا به آلزایمر و زوال عقل دارای نقص در حافظه فعال هستند و همچنین در اختلالات شناختی خفیف (MCI) رخ می دهد. در نتیجه، تلاش قابل توجهی برای درک مکانیسم هایی که شبکه های وسیع نورون ها در مغز حافظه فعال ایجاد می کنند، اختصاص داده شده است.

نقش قشر آنتورینال

در حین انجام وظایف حافظه کاری، بیرونی ترین لایه مغز که به عنوان نئوکورتکس شناخته می شود، اطلاعات حسی را به نواحی عمیق تر مغز، از جمله ناحیه مرکزی به نام قشر انتورینال، که برای تشکیل خاطرات حیاتی است، ارسال می کند. نورون‌ها در قشر انتورینال مجموعه پیچیده‌ای از پاسخ‌ها را نشان می‌دهند که مدت‌ها دانشمندان را متحیر کرده و منجر به دریافت جایزه نوبل پزشکی در سال ۲۰۱۴ شده است، اما مکانیسم‌های حاکم بر این پیچیدگی ناشناخته است. قشر آنتورینال جایی است که آلزایمر شروع به شکل گیری می کند.

بنابراین بسیار مهم است که بفهمیم وقتی نئوکورتکس با قشر آنتورینال صحبت می کند که آن را به حافظه فعال تبدیل می کند، چه نوع جادویی در شبکه کورتیکو-انتورینال اتفاق می افتد. ممکن است تشخیص زودهنگام بیماری آلزایمر و زوال عقل مربوط به آن و همچنین اختلالات شناختی خفیف را فراهم کند.” UCLA.

برای حل این مشکل، مهتا و همکارانش رویکرد جدیدی ارائه کردند: یک «میکروسکوپ ریاضی».

در دنیای فیزیک معمولاً از مدل‌های ریاضی استفاده می‌شود، از کپلر گرفته تا نیوتن تا انیشتین، تا چیزهای شگفت‌انگیزی را که هرگز ندیده‌ایم و حتی تصور نکرده‌ایم، آشکار کنند، مانند عملکرد درونی ذرات زیر اتمی و فضای داخلی ذرات. سیاه چاله. در علوم مغز نیز از مدل های ریاضی استفاده می شود، اما پیش بینی های آنها به اندازه فیزیک جدی گرفته نمی شود. دلیل آن این است که در فیزیک پیش‌بینی‌های نظریه‌های ریاضی از نظر کمی تأیید می‌شوند، نه فقط کیفی.

به طور کلی تصور می شود که چنین آزمون های تجربی کمی دقیقی از نظریه های ریاضی در زیست شناسی غیرممکن است زیرا مغز بسیار پیچیده تر از دنیای فیزیکی است. تئوری های ریاضی در فیزیک بسیار ساده هستند، پارامترهای آزاد بسیار کمی را شامل می شوند و در نتیجه تست های تجربی دقیقی را شامل می شوند. در مقابل، مغز دارای میلیاردها نورون و تریلیون‌ها اتصال است که یک کابوس ریاضی است، البته یک میکروسکوپ فوق‌العاده دقیق.

ساده سازی سیستم های پیچیده

“برای پرداختن به این چالش به ظاهر غیرممکن برای ایجاد یک نظریه ساده که هنوز هم بتواند داده های تجربی از دینامیک حافظه در داخل بدن را با وفاداری بالا توضیح دهد، ما فرض کردیم که گفتگوی کورتیکو انترورینال و جادوی حافظه حتی زمانی که افراد در خواب یا بیهوش هستند ظاهر می شود.” دکتر کریشنا چوداری، نویسنده اصلی این مطالعه گفت. درست مانند یک ماشین وقتی که در حال حرکت است یا با سرعت 70 مایل در ساعت حرکت می کند مانند یک ماشین رفتار می کند.

محققان UCLA سپس یک فرض بزرگ دیگر را مطرح کردند: پویایی کل قشر و قشر آنتورینال در هنگام خواب یا بیهوشی را می توان تنها توسط دو نورون ضبط کرد. این مفروضات مشکل تعامل میلیاردها نورون را به دو متغیر آزاد کاهش داد – قدرت ورودی از نئوکورتکس به قشر آنتورینال و قدرت اتصالات مکرر در قشر آنتورینال. در حالی که این مسئله را از نظر ریاضی قابل حل می کند، این سوال واضح را ایجاد می کند – آیا درست است؟

مهتا گفت: “اگر ما نظریه خود را به صورت کمی روی داده های in vivo آزمایش کنیم، آنگاه فقط بازی های ریاضی جالبی هستند، نه درک محکمی از جادوی ایجاد حافظه.”

آزمایش‌های آزمایشی قاطع این نظریه به آزمایش‌های پیچیده توسط دکتر توماس هان، یکی از نویسندگان که اکنون استاد دانشگاه بازل و روان‌شناس بالینی است، نیاز داشت.

کورتکس آنتورینال یک مدار پیچیده است. هان می‌گوید: «برای آزمایش واقعی این نظریه، ما به تکنیک‌های تجربی نیاز داشتیم که نه‌تنها می‌توانستند فعالیت عصبی را با دقت بالا اندازه‌گیری کنند، بلکه هویت آناتومیکی دقیق نورون را نیز تعیین کنند.»

هان و دکتر سون بربریچ، همچنین یکی از نویسندگان، پتانسیل غشایی نورون های شناسایی شده از قشر آنتورینال را در داخل بدن با استفاده از روش گیره کل سلولی اندازه گیری کردند و سپس از تکنیک های تشریحی برای شناسایی نورون استفاده کردند. در همان زمان، آنها فعالیت قشر جداری را اندازه گیری کردند، بخشی از نئوکورتکس که ورودی ها را به قشر آنتورینال می فرستد.

مهتا گفت: «تئوری ریاضی و داده‌های پیچیده in vivo ضروری و جالب هستند، اما ما باید با چالش دیگری مقابله می‌کردیم – چگونه این نظریه ساده را روی داده‌های عصبی پیچیده ترسیم کنیم؟»

Choudhary گفت: “این به یک دوره طولانی توسعه نیاز داشت تا یک “میکروسکوپ ریاضی” تولید شود که بتواند مستقیماً عملکرد درونی نورون‌ها را هنگام ایجاد حافظه آشکار کند. تا آنجا که ما می دانیم، این کار قبلا انجام نشده است.

کشف حالات حافظه جدید

نویسندگان خاطرنشان می‌کنند که مانند موج اقیانوسی که در خط ساحلی شکل می‌گیرد و سپس می‌شکند، سیگنال‌های نئوکورتکس بین حالت‌های روشن و خاموش در فواصل زمانی که شخص یا حیوان می‌خوابد در نوسان است. در همین حال، قشر آنتورینال مانند یک شناگر در آب عمل می‌کند و می‌تواند به صورت امواج به بالا حرکت کند و پس از عقب‌نشینی به سمت پایین حرکت کند. داده ها این را نشان داد و مدل نیز آن را ثبت کرد. به گفته مهتا، اما با استفاده از این تصادف ساده، این مدل زندگی خود را به دست آورد و نوع جدیدی از حالت حافظه را کشف کرد که به عنوان عدم فعالیت مداوم خود به خودی شناخته می شود.

“مثل این است که موجی در حال آمدن است و قشر آنتورینال می گوید: ” موجی نیست! یادم می‌آید که اخیراً موجی نبود، بنابراین موج فعلی را نادیده می‌گیرم و اصلاً پاسخ نمی‌دهم. این انفعال دائمی است. از طرف دیگر، فعالیت مداوم زمانی اتفاق می‌افتد که موج قشر مغز ناپدید می‌شود، اما نورون‌های آنتورینال به یاد می‌آورند که اخیراً موجی وجود داشته است و به جلو می‌روند.»

اگرچه بسیاری از تئوری‌های حافظه فعال وجود فعالیت مداوم را نشان می‌دهند که نویسندگان آن را یافتند، عدم فعالیت مداوم چیزی است که مدل پیش‌بینی می‌کند و قبلاً هرگز دیده نشده است.

مهتا گفت: “بخش خوب در مورد عدم فعالیت مداوم این است که تقریباً هیچ انرژی نمی گیرد، بر خلاف فعالیت ثابت که انرژی زیادی می گیرد، حتی بهتر از آن، ترکیبی از فعالیت ثابت و عدم فعالیت، ظرفیت حافظه را بیش از دو برابر می کند، در عین حال. زمانی که هزینه انرژی متابولیک را به نصف کاهش می دهد.

دکتر Choudhary گفت: “همه چیز خیلی خوب به نظر می رسید که درست باشد، بنابراین ما واقعاً میکروسکوپ ریاضی خود را به حداکثر رساندیم، در حالتی که برای کار در آن طراحی نشده بود.” اگر میکروسکوپ درست بود، حتی در موقعیت‌های غیرعادی هم به کار خود ادامه می‌داد.»

«میکروسکوپ ریاضی ده‌ها پیش‌بینی، نه تنها برای اندورینال، بلکه برای بسیاری از نواحی دیگر مغز انجام داد. در کمال تعجب ما، میکروسکوپ ریاضی هر بار کار می کرد.» مهتا ادامه داد. چنین توافق تقریباً کاملی بین پیش‌بینی‌های نظریه ریاضی و آزمایش‌ها در علوم اعصاب بی‌سابقه است.

مهتا ادامه داد: «این مدل ریاضی که کاملاً با آزمایش‌ها مطابقت دارد، یک میکروسکوپ جدید است. این چیزی را نشان می دهد که هیچ میکروسکوپی موجود بدون آن نمی تواند ببیند. مهم نیست که چند نورون را تصویر کرده اید، هیچ یک از اینها را آشکار نمی کند.

مهتا گفت: «در واقع، کمبودهای متابولیک ویژگی مشترک بسیاری از اختلالات حافظه است. آزمایشگاه مهتا اکنون این کار را دنبال می‌کند تا بفهمد که حافظه کاری پیچیده چگونه شکل می‌گیرد و در طول بیماری آلزایمر، زوال عقل و سایر اختلالات حافظه چه مشکلاتی در قشر انتورینال رخ می‌دهد.

مرجع: “فعالیت و عدم فعالیت خود به خودی مداوم در داخل بدن، اتصال عملکردی کورتیکو-انتورینال متفاوت را نشان می دهد” توسط کریشنا چوداری، سون بربریچ، توماس تی جی هان، جیمز ام. مک فارلند و مایانک آر. مهتا، 8 مه 2024. ارتباطات طبیعت.
DOI: 10.1038/s41467-024-47617-6