وقتی چیز جدیدی یاد میگیرید، مغزتان فیزیکال تغییر میکند اما تا همین اواخر نمیدانستیم دقیقا چطور

مخاطب: علاقه‌مندان به علم اعصاب

دهه‌هاست که نوروساینتیست‌ها میدانند مغز در اثر یادگیری تغییر میکند. اگر رانندگان تاکسی لندن را اسکن کنید، هیپوکامپ‌شان بزرگتر از افراد عادی است. اگر نوازندگان حرفه‌ای پیانو را بررسی کنید، نواحی حرکتی مغزشان ضخیم‌تر است. اما یک سوال بنیادی بی‌پاسخ مانده بود که وقتی می‌گوییم مغز تغییر کرده ، در سطح سلولی دقیقا چه اتفاقی افتاده؟

در مدلهای حیوانی میتوانیم مغز را زیر میکروسکوپ ببریم و ببینیم که سلول‌ها شاخه‌های جدید رشد داده‌اند، سیناپس‌های تازه ساخته شده‌اند یا سلولهای پشتیبان(آستروسیت‌ها) متورم شده‌اند. ولی مشکل این است که در انسان زنده چنین کاری ممکن نیست. ابزارهای تصویربرداری مرسوم مثل MRI فقط تصویر کلان میدهند( برای مثال میگویند حجم این ناحیه زیاد شده ) بدون اینکه بگویند آیا سلولها بزرگتر شده‌اند، زوائد جدید رشد کرده‌اند یا فقط مایعات بافتی تغییر کرده‌اند.

تصور کنید از ارتفاع ۱۰ کیلومتری به یک شهر نگاه میکنید و میگویید شهر بزرگتر شده. اما نمیدانید آیا ساختمان‌های جدید ساخته شده، خیابان‌ها عریض‌تر شده‌اند یا فقط سیل موقتی باعث شده مساحت آبگرفته بزرگتر به نظر برسد. مطالعه‌ای که میخواهم درموردش توضیح دهم اخیرا برای اولین بار توانسته از این ارتفاع پایین بیاید و خانه‌ها و خیابان‌ها را جداگانه ببیند.

مطالعه از ترکیب دو نوآوری استفاده کرده یکی سخت‌افزاری و یکی نرم‌افزاری

>> سخت‌افزار: اسکنر Connectom. MRI بر اساس ردیابی حرکت مولکولهای آب در بافت کار میکند. هرچه مغناطیس اسکنر قویتر باشد حرکت آب را در فضاهای کوچک‌تری میتوان تشخیص داد. اسکنرهای بیمارستانی معمولی گرادیان مغناطیسی حدود ۴۰-۸۰ میلی‌تسلا بر متر دارند. اسکنر connectom که در این مطالعه استفاده شده، گرادیان ۳۰۰ میلی‌تسلا بر متر دارد یعنی حدود ۵ برابر قویتر. این قدرت اضافی اجازه میدهد حرکت آب را در مقیاس میکرومتر ( یعنی اندازه یک سلول) ردیابی کنیم.
مورد مهم دیگر این است که فقط ۴ دستگاه از این نوع در کل جهان وجود دارد.

>> نرم‌افزار: مدل SANDI. حتی با قویترین اسکنر، سیگنال خام MRI فقط یک عدد کلی از هر نقطه مغز میدهد. برای تفکیک اینکه آب درون بدنه سلول است، درون شاخههای سلولی (آکسونها و دندریتها) است یا در فضای بین سلولها است به یک مدل ریاضی نیاز است. مدل SANDI که در ۲۰۲۰ معرفی شد همین‌ کار را میکند.[ سیگنال MRI را به سه بخش تفکیک میکند. سوما (بدنه سلول)، نوریت (شاخهها)، و فضای خارج‌سلولی]

ترکیب این دو ابزار برای اولین‌ بار امکان داد که در مغز یک انسان زنده بگوییم: در این ناحیه، بدنه سلولها بزرگ‌تر شده‌اند یا در آن ناحیه شاخههای سلولی بیشتر شده‌اند. قبلا این فقط با میکروسکوپ روی بافت حیوانی ممکن بود.

شرکت‌کنندگان سالم یک مهارت حرکتی جدید یاد گرفتند و مغزشان در چندین نقطه زمانی اسکن شد و نه فقط قبل و بعد بلکه در طول فرآیند یادگیری. این طراحی طولی اجازه داد که پویایی زمانی تغییرات ردیابی شود.

حال این یافته بدست آمد که مغز دو واکنش متمایز نشان میدهد‌. به عبارت دیگر دو مکانیسم کاملا متفاوت کشف کردند که همزمان نیستند:

واکنش اول >> سریع و فراگیر اما موقت. بلافاصله بعد از یادگیری، در نواحی وسیعی از مغز، بدنه سلولها متورم شدند. اما این تورم گذرا بود و بعد از مدتی به حالت عادی برگشت. حالا چرا؟ احتمالا به‌ خاطر آستروسیتها (سلولهای ستاره‌ای شکلی که نقش پشتیبانی نورونها را دارند). وقتی نورونها شدیدا فعال میشوند، مواد شیمیایی زیادی مثل گلوتامات و پتاسیم به فضای بین سلولی ریخته میشود. آستروسیتها این مواد را جذب میکنند تا محیط را پاکسازی کنند و در این فرآیند ، آب هم به درونشان کشیده میشود و متورم میشوند. البته این یک تغییر ساختاری دائمی نیست و یک پاسخ اضطراری هومئوستاتیک است.

واکنش دوم >> آهسته‌تر و هدفمند و ماندگار. با تاخیر بیشتر، فقط در نواحی حرکتی کلیدی (نه همه نواحی درگیر) تراکم شاخههای سلولی (نوریتها) به‌طور پایدار افزایش یافت. این با آنچه نوروساینتیستها "پلاستیسیتی ساختاری" مینامند سازگار است>> رشد دندریتهای جدید، تشکیل خارهای دندریتی (محل سیناپسها) و تقویت اتصالات بین نورونها.
» به عبارت دیگر این ردپای فیزیکی حافظه است.

یک مورد مهم دیگر: واکنش اول همه‌ جا دیده شد مثل یک آژیر عمومی. منتها واکنش دوم فقط در مدارهایی رخ داد که واقعا درگیر یادگیری بودند. این الگو از نظر بیولوژیکی کاملا منطقی است که ابتدا یک پاسخ پشتیبانی فراگیر>> سپس یک بازسازی هدفمند و دائمی.

ادامه

-A.RANJBAR