علوم اعصاب شناختی؛ ساختار و عملکرد سیستم عصبی؛ تکوین سیستم عصبی؛ مغز بچه

۲.۶ Connecting the Brain’s Components into Systems

۲.۶ اتصال اجزای مغز به سیستم‌ها

Systems scientists will tell you that in order to figure out how complex systems, including our brain, process information, we need to grasp their organizational architecture. To do this, we need to remember that the brain and its architecture are a product of evolution. Throughout the 20th century, the “big brain theory”-the idea that humans are more intelligent because we have a proportionately larger brain for our body size than the other great apes have garnered quite a few fans. In 2009, Suzana Herculano-Houzel and her coworkers refined this theory when they used a new technique to more accurately count neuron numbers (Azevedo et al., 2009; Herculano-Houzel, 2009). They found that the ratio of neuron number to brain size is about the same for all primates, including humans.

دانشمندان سیستم به شما خواهند گفت که برای اینکه بفهمیم سیستم‌های پیچیده، از جمله مغز ما، چگونه اطلاعات را پردازش می‌کنند، باید معماری سازمانی آنها را درک کنیم. برای این کار باید به خاطر داشته باشیم که مغز و معماری آن محصول تکامل است. در طول قرن بیستم، «نظریه مغز بزرگ» – این ایده که انسان‌ها باهوش‌تر هستند، زیرا ما نسبت به اندازه بدن خود مغز نسبتاً بزرگ‌تری نسبت به سایر میمون‌های بزرگ داریم، طرفداران زیادی پیدا کرده است. در سال ۲۰۰۹، سوزانا هرکولانو-هوزل و همکارانش این نظریه را هنگامی‌که از تکنیک جدیدی برای شمارش دقیق اعداد نورون استفاده کردند، اصلاح کردند (آزودو و همکاران، ۲۰۰۹؛ هرکولانو-هوزل، ۲۰۰۹). آنها دریافتند که نسبت تعداد نورون به اندازه مغز برای همه نخستی‌ها، از جمله انسان، تقریباً یکسان است.

The advantage we have over other primates is that our brains are larger in absolute volume and weight; therefore, we have more neurons. The advantage that primates have over other species of mammals, such as rats, cetaceans, and elephants, is that primate brains use space more economically: Primates have more neurons per unit volume of brain than other mammals have. Rodents may have more brain volume per body weight, and elephants and cetaceans may have larger brains overall, but primates get more neurons per cubic inch. While the exact neuron counts for cetaceans and elephants aren’t in, there is evidence, as Herculano- Houzel argues, that humans have more total neurons in our brains than any other species, suggesting that the absolute neuron number may contribute to humans’ enhanced abilities.

مزیتی که ما نسبت به سایر پستانداران داریم این است که مغز ما از نظر حجم و وزن مطلق بزرگتر است. بنابراین، ما نورون‌های بیشتری داریم. مزیتی که پستانداران نسبت به دیگر گونه‌های پستانداران مانند موش‌های صحرایی، سینه‌داران و فیل‌ها دارند، این است که مغز پستانداران از فضا به صرفه‌تر استفاده می‌کنند: پستانداران در هر واحد حجم مغز نورون‌های بیشتری نسبت به سایر پستانداران دارند. جوندگان ممکن است حجم مغز بیشتری به ازای وزن بدن داشته باشند، و فیل‌ها و گیلاس‌ها ممکن است به طور کلی مغز بزرگتری داشته باشند، اما پستانداران نورون‌های بیشتری در هر اینچ مکعب دریافت می‌کنند. در حالی که شمارش دقیق نورون‌ها برای فیل‌ها و ماهی‌ها وجود ندارد، همانطور که هرکولانو هوزل استدلال می‌کند، شواهدی وجود دارد که نشان می‌دهد انسان‌ها تعداد نورون‌های کلی بیشتری در مغز ما نسبت به سایر گونه‌ها دارند، که نشان می‌دهد تعداد نورون‌های مطلق ممکن است به افزایش توانایی‌های انسان کمک کند.

In addition to neuron number, other aspects of brain structure might affect cognitive ability. For example, denser neuronal connectivity could affect computational power. While one might expect that more neurons would be accompanied by more connections per neuron, this is not what happens. Just consider if human brains were fully connected—that is, if each neuron were connected to every other one: Our brains would have to be 20 km in diameter (D. D. Clark & Sokoloff, 1999) and would require so much energy that all our time (and then some) would be spent eating. With such vast distances for axons to travel across the brain, the processing speed would be extremely slow, creating an uncoordinated body and a rather dull-witted person.

علاوه بر تعداد نورون، سایر جنبه‌های ساختار مغز ممکن است بر توانایی شناختی تأثیر بگذارد. به عنوان مثال، اتصال عصبی متراکم تر می‌تواند بر توان محاسباتی تأثیر بگذارد. در حالی که می‌توان انتظار داشت که تعداد بیشتری از نورون‌ها با اتصالات بیشتری در هر نورون همراه شوند، این چیزی نیست که اتفاق می‌افتد. فقط در نظر بگیرید که آیا مغز انسان کاملاً به هم متصل است یا خیر – یعنی اگر هر نورون به هر نورون دیگری متصل باشد: قطر مغز ما باید ۲۰ کیلومتر باشد (D. D. Clark & ​​Sokoloff, 1999) و به انرژی زیادی نیاز دارد که تمام وقت ما (و سپس مقداری) صرف خوردن شود. با چنین فواصل وسیعی که آکسون‌ها در سراسر مغز حرکت می‌کنند، سرعت پردازش بسیار کند خواهد بود و بدنی ناهماهنگ و فردی نسبتاً کسل کننده ایجاد می‌کند.

Instead, certain laws govern connectivity as brains increase in size (Striedter, 2005). As the brain increases in size, long-distance connectivity decreases. The number of neurons that an average neuron connects to actually does not change with increasing brain size. By maintaining absolute connectivity, not proportional connectivity, large brains became less interconnected. There’s no need to worry about this, because evolution came up with two clever solutions:

در عوض، با افزایش اندازه مغزها، قوانین خاصی بر اتصال حاکم است (استریدتر، ۲۰۰۵). با افزایش اندازه مغز، ارتباط بین راه دور کاهش می‌یابد. تعداد نورون‌هایی که یک نورون متوسط ​​به آنها متصل می‌شود در واقع با افزایش اندازه مغز تغییر نمی‌کند. با حفظ اتصال مطلق، نه ارتباط متناسب، مغزهای بزرگ کمتر به هم پیوسته شدند. در این مورد نیازی به نگرانی نیست، زیرا تکامل دو راه حل هوشمندانه ارائه کرد:

▪️Minimizing connection lengths. Short connections keep processing localized, with the result that the connection costs are less. That is, shorter axons take up less space; less energy is required for building, maintenance, and transmission; and signaling is faster over shorter distances. From an evolutionary perspective, this organization set the stage for local networks to divide up and specialize, forming multiple clusters of independent processing units, called modules.

▪️ به حداقل رساندن طول اتصال. اتصالات کوتاه، پردازش را محلی نگه می‌دارند و در نتیجه هزینه‌های اتصال کمتر می‌شود. یعنی آکسون‌های کوتاهتر فضای کمتری را اشغال می‌کنند. انرژی کمتری برای ساخت، نگهداری و انتقال مورد نیاز است. و سیگنال دهی در فواصل کوتاهتر سریعتر است. از منظر تکاملی، این سازمان زمینه را برای تقسیم و تخصصی شدن شبکه‌های محلی فراهم کرد و خوشه‌های متعددی از واحدهای پردازش مستقل به نام ماژول‌ها را تشکیل داد.

▪️Retaining a small number of very long connections between distant sites. Primate brains in general and human brains in particular have developed what is known as “small-world” architecture, an organizational structure that is common to many complex systems, including human social relations. It combines many short, fast local connections with a few long-distance connections to communicate the results of local processing. It also has the advantage that fewer steps connect any two processing units. This design allows both a high degree of local efficiency and, at the same time, quick communication to the global network.

▪️ حفظ تعداد کمی‌از اتصالات بسیار طولانی بین سایت‌های دور. مغز نخستی‌ها به طور کلی و مغز انسان به طور خاص چیزی را توسعه داده اند که به عنوان معماری «جهان کوچک» شناخته می‌شود، یک ساختار سازمانی که در بسیاری از سیستم‌های پیچیده، از جمله روابط اجتماعی انسانی مشترک است. این بسیاری از اتصالات محلی کوتاه و سریع را با چند اتصال از راه دور ترکیب می‌کند تا نتایج پردازش محلی را به هم منتقل کند. همچنین این مزیت را دارد که مراحل کمتری هر دو واحد پردازش را به هم متصل می‌کند. این طراحی هم درجه بالایی از کارایی محلی و هم در عین حال ارتباط سریع با شبکه جهانی را امکان پذیر می‌کند.

The big picture is that as the number of neurons increases, the connectivity pattern changes, resulting in anatomical and functional changes. We will explore the modular brain and small-world architecture in more detail in Chapter 4.

تصویر بزرگ این است که با افزایش تعداد نورون‌ها، الگوی اتصال تغییر می‌کند و در نتیجه تغییرات آناتومیکی و عملکردی ایجاد می‌شود. ما در فصل ۴ به بررسی ساختار مغز ماژولار و دنیای کوچک خواهیم پرداخت.

As we have seen in the primary sensory areas and their adjacent association areas, localized regions of processing are highly intraconnected to compute specialized functions. For coordinating complex behaviors, however, communication extends between more distant regions, forming a larger-scale neural network. For instance, Broca’s and Wernicke’s areas, each per- forming separate specialized functions for language, must communicate with each other for us to be able to both produce and understand language. These two areas are densely interconnected via a bundle of nerve fibers, the arcuate fasciculus. The cost of large-scale communication networks is offset by reducing connections between modules that specialize in unrelated cognitive functions. For example, when you are in flight mode, your legs don’t need fast direct connections to Broca’s and Wernicke’s areas, but they do need them to the motor cortex.

همانطور که در نواحی حسی اولیه و نواحی تداعی مجاور آنها دیدیم، نواحی محلی پردازش برای محاسبه توابع تخصصی بسیار به هم مرتبط هستند. با این حال، برای هماهنگ کردن رفتارهای پیچیده، ارتباطات بین مناطق دورتر گسترش می‌یابد و یک شبکه عصبی در مقیاس بزرگ‌تر را تشکیل می‌دهد. به عنوان مثال، حوزه‌های بروکا و ورنیکه، که هر کدام کارکردهای تخصصی جداگانه‌ای را برای زبان انجام می‌دهند، باید با یکدیگر ارتباط برقرار کنند تا بتوانیم هم زبان را تولید و هم درک کنیم. این دو ناحیه از طریق دسته‌ای از رشته‌های عصبی، فاسیکلوس قوسی، به‌طور متراکم به هم مرتبط هستند. هزینه شبکه‌های ارتباطی در مقیاس بزرگ با کاهش ارتباطات بین ماژول‌هایی که در عملکردهای شناختی نامرتبط تخصص دارند جبران می‌شود. به عنوان مثال، زمانی که در حالت پرواز هستید، پاهای شما به اتصال مستقیم سریع به نواحی بروکا و ورنیکه نیاز ندارند، اما به قشر حرکتی نیاز دارند.

Structural connectivity networks have been identified in a variety of ways. Anatomists beginning as early 2.7 Development of the as the 16th century dissected human cadaver brains and teased out the white matter fiber tracts connecting regions of the brain. In addition, work on animals helped to identify the projection pathways of major brain systems. In animals, researchers injected dyes that could be taken up by neurons and transported via the plasma of the axon to the cell bodies or axon terminals, revealing either the brain regions a structure projected to, or the regions it received projections from. After a specified amount of time had elapsed, the investigators sacrificed the animal and dissected its brain to find the final location of the dye. 

شبکه‌های اتصال ساختاری به روش‌های مختلفی شناسایی شده اند. آناتومیست‌هایی که در اوایل قرن ۱۶ شروع به توسعه ۲.۷ کردند، مغز جسد انسان را تشریح کردند و دستگاه‌های فیبر ماده سفید را که نواحی مغز را به هم متصل می‌کردند، کشف کردند. علاوه بر این، کار بر روی حیوانات به شناسایی مسیرهای پیش بینی سیستم‌های اصلی مغز کمک کرد. در حیوانات، محققان رنگ‌هایی را تزریق کردند که می‌توانست توسط نورون‌ها گرفته شود و از طریق پلاسمای آکسون به اجسام سلولی یا پایانه‌های آکسون منتقل شود و یا نواحی مغزی که یک ساختار پیش بینی شده است، یا مناطقی که از آنها برآمدگی دریافت می‌کرد، آشکار شد. پس از گذشت مدت زمان مشخصی، محققان حیوان را قربانی کردند و مغز آن را تشریح کردند تا محل نهایی رنگ را پیدا کنند.

Through hundreds of such studies, connections between brain areas were mapped and cataloged. In the last 20 years, researchers have developed noninvasive techniques such as diffusion-based magnetic resonance imaging combined with computer algorithms to trace white matter tracts. These methods, which we will dis- cuss in the next chapter, have enabled us to begin locating the structural connections and functional relationships between distant regions that make up neural systems in living human and animal brains.

از طریق صدها مطالعه از این قبیل، ارتباط بین نواحی مغز نقشه برداری و فهرست بندی شد. در ۲۰ سال گذشته، محققان تکنیک‌های غیرتهاجمی‌مانند تصویربرداری تشدید مغناطیسی مبتنی بر انتشار را در ترکیب با الگوریتم‌های کامپیوتری برای ردیابی دستگاه‌های ماده سفید توسعه داده‌اند. این روش‌ها، که در فصل بعدی به آن‌ها خواهیم پرداخت، ما را قادر می‌سازند تا مکان‌یابی اتصالات ساختاری و روابط عملکردی بین مناطق دوردست که سیستم‌های عصبی را در مغز انسان‌ها و حیوانات می‌سازند، شروع کنیم.

Besides the predominantly left-hemisphere Language network, other large-scale neural networks include the  right-hemisphere spatial attention network with connections among the posterior parietal cortex, the frontal eye fields, and the cingulate gyrus; the face/object network with lateral temporal and temporopolar connections; the cognitive control network with lateral prefrontal, orbitofrontal, and posterior parietal cortical connections; and the default network with links connecting the posterior cingulate cortex, the medial prefrontal cortex, the angular gyrus, and their subnetworks. These functional networks are currently being identified by functional MRI, which we will also talk more about in the next chapter.

علاوه بر شبکه زبان عمدتاً نیمکره چپ، سایر شبکه‌های عصبی در مقیاس بزرگ شامل شبکه توجه فضایی نیمکره راست با اتصالات بین قشر آهیانه‌ای خلفی، میدان‌های چشمی‌پیشانی، و شکنج سینگوله می‌شوند. شبکه صورت/شی با اتصالات زمانی و زمانی قطبی جانبی؛ شبکه کنترل شناختی با اتصالات قشر آهیانه جانبی پری فرونتال، اوربیتوفرونتال و خلفی. و شبکه پیش‌فرض با پیوندهایی که قشر کمربندی خلفی، قشر پیش پیشانی داخلی، شکنج زاویه‌ای و زیرشبکه‌های آن‌ها را به هم متصل می‌کنند. این شبکه‌های کاربردی در حال حاضر توسط MRI عملکردی شناسایی می‌شوند که در فصل بعدی نیز بیشتر در مورد آن صحبت خواهیم کرد.

TAKE-HOME MESSAGES

پیام‌های اصلی

▪️ Although the human brain is about three times larger than the chimpanzee brain, the absolute number of connections per neuron is the same.

▪️ اگرچه مغز انسان حدود سه برابر بزرگتر از مغز شامپانزه است، اما تعداد مطلق اتصالات هر نورون یکسان است.

▪️ As primate brains increased in size, their overall connectivity patterns changed, resulting in anatomical and functional changes.

▪️ با افزایش اندازه مغز پستانداران، الگوهای ارتباط کلی آنها تغییر کرد و در نتیجه تغییرات آناتومیکی و عملکردی ایجاد شد.

▪️ A network with small-world architecture allows both a high degree of local efficient processing and, at the same time, quick communication to distant circuits.

▪️ یک شبکه با معماری دنیای کوچک، هم درجه بالایی از پردازش کارآمد محلی و هم در عین حال، ارتباط سریع با مدارهای دور را امکان پذیر می‌کند.

۲.۷ Development of the Nervous System

۲.۷ توسعه سیستم عصبی

Thus far, we have been discussing the neuroanatomy of the developed adult brain. In humans and many other species, the fetal brain is well developed and shows cortical layers, neuronal connectivity, and myelination; in short, the fetal brain is already extremely complex, although by no means completely developed. This section provides an introduction to development, with special attention to development of the cerebral cortex.

تا کنون، ما در مورد نوروآناتومی‌مغز بالغ بالغ بحث کرده ایم. در انسان و بسیاری از گونه‌های دیگر، مغز جنین به خوبی توسعه یافته است و لایه‌های قشری، اتصال عصبی و میلین را نشان می‌دهد. به طور خلاصه، مغز جنین در حال حاضر بسیار پیچیده است، اگرچه به هیچ وجه کاملاً توسعه نیافته است. این بخش مقدمه ای بر رشد با توجه ویژه به رشد قشر مغز ارائه می‌دهد.

Overview of Early Development

مروری بر توسعه اولیه

Fertilization of the egg is followed by a series of events that lead to the formation of a multicellular blastula, which has already begun to specialize. The blastula contains three main cell lines that, after a few days, form three layers: the ectoderm (outer layer) that will form the nervous system and the outer skin, lens of the eye, inner ear, and hair; the mesoderm (middle layer) that will form the skeletal system and voluntary muscle; and the endoderm (inner layer) that will form the gut and digestive organs. The early processes that go into forming the nervous system are called neurulation (Figure 2.45). During this stage, the ectodermal cells on the dorsal surface form the neural plate.

لقاح تخمک با مجموعه ای از رویدادها به دنبال دارد که منجر به تشکیل یک بلاستول چند سلولی می‌شود که قبلاً شروع به تخصص کرده است. بلاستولا شامل سه رده سلولی اصلی است که پس از چند روز سه لایه را تشکیل می‌دهند: اکتودرم (لایه بیرونی) که سیستم عصبی و پوست خارجی، عدسی چشم، گوش داخلی و مو را تشکیل می‌دهد. مزودرم (لایه میانی) که سیستم اسکلتی و عضله ارادی را تشکیل می‌دهد. و آندودرم (لایه داخلی) که روده و اندام‌های گوارشی را تشکیل می‌دهد. فرآیندهای اولیه ای که برای تشکیل سیستم عصبی انجام می‌شود، نورولاسیون نامیده می‌شود (شکل ۲.۴۵). در طی این مرحله، سلول‌های اکتودرم روی سطح پشتی صفحه عصبی را تشکیل می‌دهند.

FIGURE 2.45 Development of the vertebrate nervous system.
Cross sections through the blastula and embryo at various developmental stages during the first 21 days of life. (a) Early in embryogenesis, the multicellular blastula contains cells destined to form various body tissues. (b) Migration and specialization of different cell lines leads to formation of the primitive nervous system around the neural groove and, after it fuses, the neural tube (not shown) on the dorsal surface of the embryo. The brain is located at the anterior end of the embryo and is not shown in these more posterior sections, which are taken at the level of the spinal cord.

شکل ۲.۴۵ توسعه سیستم عصبی مهره داران.
برش عرضی از طریق بلاستولا و جنین در مراحل مختلف رشد در ۲۱ روز اول زندگی. (الف) در اوایل جنین زایی، بلاستولای چند سلولی حاوی سلول‌هایی است که قرار است بافت‌های مختلف بدن را تشکیل دهند. (ب) مهاجرت و تخصصی شدن رده‌های سلولی مختلف منجر به تشکیل سیستم عصبی اولیه در اطراف شیار عصبی و پس از جوش خوردن آن، لوله عصبی (نشان داده نشده) در سطح پشتی جنین می‌شود. مغز در انتهای قدامی‌جنین قرار دارد و در این بخش‌های خلفی بیشتر که در سطح نخاع گرفته شده اند نشان داده نمی‌شود.

As the nervous system continues to develop, the cells at the lateral borders of the neural plate push upward. (Imagine joining the long sides of a rectangular piece of dough to form a tube.) This movement causes the more central cells of the neural plate to invaginate, or dip inward, to form the neural groove. As the groove deepens, the cells pushing up at the border of the neural fold region eventually meet and fuse, forming the neural tube that runs anteriorly and posteriorly along the embryo. The adjacent nonneural ectoderm then reunites to seal the neural tube within an ectodermal covering that surrounds the embryo.

همانطور که سیستم عصبی به رشد خود ادامه می‌دهد، سلول‌ها در مرزهای جانبی صفحه عصبی به سمت بالا فشار می‌آورند. (تصور کنید که اضلاع بلند یک تکه مستطیلی خمیر را به هم وصل کنید تا یک لوله ایجاد شود.) این حرکت باعث می‌شود سلول‌های مرکزی صفحه عصبی به داخل فرو رفته یا به سمت داخل فرو بروند و شیار عصبی را تشکیل دهند. همانطور که شیار عمیق تر می‌شود، سلول‌هایی که در مرز ناحیه چین عصبی به سمت بالا فشار می‌آورند، در نهایت به هم می‌رسند و در هم می‌آمیزند و لوله عصبی را تشکیل می‌دهند که در امتداد جنین به سمت جلو و عقب حرکت می‌کند. سپس اکتودرم غیر عصبی مجاور دوباره متحد می‌شود تا لوله عصبی را در یک پوشش اکتودرمی‌که جنین را احاطه کرده است ببندد.

At both ends of the neural tube are openings (the anterior and the posterior neuropores) that close on about the 23rd to 26th day of gestation. When the anterior neuropore is sealed, this cavity forms the primitive brain, consisting of three spaces, or ventricles. If the neuropores do not close correctly, neural tube defects such as anencephaly (absence of a major portion of the brain and skull) or spina bifida (incomplete formation of some of the vertebrae) may result. From this stage on, the brain’s gross features are formed by growth and flexion (bending) of the neural tube’s anterior portions (Figure 2.46). The result is a cerebral cortex that envelops the subcortical and brainstem structures. The final three-dimensional relations of the brain’s structures are the product of continued cortical enlargement and folding.

در هر دو انتهای لوله عصبی منافذی وجود دارد (منفذهای عصبی قدامی‌و خلفی) که تقریباً در روزهای ۲۳ تا ۲۶ بارداری بسته می‌شوند. هنگامی‌که منافذ عصبی قدامی‌مهر و موم می‌شود، این حفره مغز اولیه را تشکیل می‌دهد که از سه فضا یا بطن تشکیل شده است. اگر منافذ عصبی به درستی بسته نشوند، نقایص لوله عصبی مانند آنسفالی (عدم وجود بخش عمده ای از مغز و جمجمه) یا اسپینا بیفیدا (تشکیل ناقص برخی از مهره‌ها) ممکن است ایجاد شود. از این مرحله به بعد، ویژگی‌های درشت مغز با رشد و خم شدن (خم شدن) قسمت‌های قدامی‌لوله عصبی شکل می‌گیرد (شکل ۲.۴۶). نتیجه یک قشر مغز است که ساختارهای زیر قشری و ساقه مغز را در بر می‌گیرد. روابط سه بعدی نهایی ساختارهای مغز محصول ادامه بزرگ شدن و چین خوردگی قشر مغز است.

FIGURE 2.46 Early stages of embryonic development in mammals.
(a) Developing embryo. The embryo goes through a series of folds, or flexures, during development. These alterations in the gross structure of the nervous system give rise to the compact organization of the adult brain and brainstem in which the cerebral cortex overlies the diencephalon and midbrain within the human skull. There is significant similarity between the gross features of the developing fetuses of mammals, as comparison of a human fetus (b) and a pig fetus (c) shows.

شکل ۲.۴۶ مراحل اولیه رشد جنینی در پستانداران.
الف) جنین در حال رشد. جنین در طول تکامل از یک سری چین‌ها یا خمیدگی‌ها عبور می‌کند. این تغییرات در ساختار ناخالص سیستم عصبی باعث سازماندهی فشرده مغز و ساقه مغز بزرگسالان می‌شود که در آن قشر مغز بر روی دیانسفالون و مغز میانی در جمجمه انسان قرار می‌گیرد. شباهت قابل توجهی بین ویژگی‌های درشت جنین‌های در حال رشد پستانداران وجود دارد، همانطور که مقایسه جنین انسان (b) و جنین خوک (c) نشان می‌دهد.

The posterior portion of the neural tube differentiates into a series of repeated segments that form the spinal cord.

قسمت خلفی لوله عصبی به یک سری از بخش‌های تکراری متمایز می‌شود که طناب نخاعی را تشکیل می‌دهد.

In primates, almost the full complement of neurons is generated prenatally during the middle third of gestation. The entire adult pattern of gross and cellular neural anatomical features is present at birth, and very few neurons are generated after birth (but see the end of this section, “Birth of New Neurons Throughout Life”). Although axonal myelination continues for some period postnatally (e.g., until adulthood in the human frontal lobe), the new- born has a well-developed cortex that includes the cortical layers and areas characterized in adults. For instance, BA17 (the primary visual cortex) can be distinguished from the motor cortex by cytoarchitectonic analysis of its neuronal makeup at the time of birth.

در پستانداران، تقریباً تمام کمپلمان نورون‌ها قبل از تولد در یک سوم میانی بارداری ایجاد می‌شود. کل الگوی ویژگی‌های آناتومیک عصبی سلولی و درشت بزرگسالان در بدو تولد وجود دارد و نورون‌های بسیار کمی‌پس از تولد تولید می‌شوند (اما انتهای این بخش، “تولد نورون‌های جدید در طول زندگی” را ببینید). اگرچه میلین آکسون برای مدتی پس از تولد (به عنوان مثال، تا بزرگسالی در لوب فرونتال انسان) ادامه می‌یابد، نوزاد تازه متولد شده دارای یک قشر به خوبی توسعه یافته است که شامل لایه‌های قشر و نواحی مشخص در بزرگسالان است. به عنوان مثال، BA17 (قشر بینایی اولیه) را می‌توان با تجزیه و تحلیل سایتو آرشیتکتونیکی ساختار عصبی آن در زمان تولد از قشر حرکتی متمایز کرد.

NEURAL PROLIFERATION AND MIGRATION OF CORTICAL CELLS

تکثیر عصبی و مهاجرت سلولهای قشر مغز

The neurons that form the brain arise from a layer of precursor cells in proliferative zones located adjacent to the ventricles of the developing brain. The cortical neurons arise from the subventricular zone, and those that form other parts of the brain arise from precursor cells in the ventricular zone. Figure 2.47 shows a cross section through the cortex and the precursor cell layers at various times during gestation. The cells that form the cortex will be the focus of this discussion. The precursor cells are undifferentiated cells from which all cortical cells (including neuronal subtypes and glial cells) arise through cell division and differentiation. For the first 5 to 6 weeks of gestation, the cells in the subventricular zone divide in a symmetrical fashion. The result is exponential growth in the number of precursor cells.

نورون‌هایی که مغز را تشکیل می‌دهند از لایه‌ای از سلول‌های پیش‌ساز در نواحی تکثیری که در مجاورت بطن‌های مغز در حال رشد قرار دارند، ایجاد می‌شوند. نورون‌های قشر مغز از ناحیه زیر بطنی و آنهایی که سایر قسمت‌های مغز را تشکیل می‌دهند از سلول‌های پیش ساز در ناحیه بطنی به وجود می‌آیند. شکل ۲.۴۷ یک مقطع از طریق قشر و لایه‌های سلولی پیش ساز را در زمان‌های مختلف در طول بارداری نشان می‌دهد. سلول‌هایی که قشر را تشکیل می‌دهند، محور این بحث خواهند بود. سلول‌های پیش ساز سلول‌های تمایز نیافته ای هستند که تمام سلول‌های قشر مغز (شامل زیرگروه‌های عصبی و سلول‌های گلیال) از طریق تقسیم و تمایز سلولی به وجود می‌آیند. در ۵ تا ۶ هفته اول بارداری، سلول‌های ناحیه زیر بطنی به صورت متقارن تقسیم می‌شوند. نتیجه رشد تصاعدی در تعداد سلول‌های پیش ساز است.

At the end of 6 weeks, when there is a stockpile of precursor cells, asymmetrical division begins. After every cell division, one of the two cells formed becomes a migratory cell destined to be part of another layer; the other cell remains in the subventricular zone, where it continues to divide asymmetrically. Later in gestation, the proportion of migratory cells increases until a laminar (i.e., layered) cortex made up of the migratory cells is formed. This cortex has a foundational epithelial layer that becomes the cell lining of the ventricles and is known as the ependymal cell layer.

در پایان ۶ هفته، زمانی که ذخیره ای از سلول‌های پیش ساز وجود دارد، تقسیم نامتقارن شروع می‌شود. پس از هر تقسیم سلولی، یکی از دو سلول تشکیل شده تبدیل به یک سلول مهاجر می‌شود که مقصد آن بخشی از لایه دیگر است. سلول دیگر در ناحیه زیر بطنی باقی می‌ماند، جایی که به تقسیم نامتقارن ادامه می‌دهد. بعداً در حاملگی، نسبت سلول‌های مهاجر افزایش می‌یابد تا زمانی که یک قشر آرام (یعنی لایه لایه) تشکیل شده از سلول‌های مهاجر تشکیل شود. این قشر دارای یک لایه اپیتلیال پایه است که به پوشش سلولی بطن‌ها تبدیل می‌شود و به عنوان لایه سلول اپاندیمال شناخته می‌شود.

FIGURE 2.47 Histogenesis of the cerebral cortex. Cross-sectional views of developing cerebral cortex from early (left) through late (right) times during histogenesis. The mammalian cortex develops from the inside out as cells in the ventricular zone (VZ) divide, and some of the cells migrate to the appropriate layer in the cortex. Radial glial cells form a superhighway along which the migrating cells travel en route to the cortex. CP = cortical plate; CTX = cortex; EL = ependymal layer; IZ = intermediate zone; ML = molecular layer; MZ = marginal zone; SP = subplate; SZ= subventricular zone; WM = white matter.

شکل ۲.۴۷ بافت زایی قشر مغز. نماهای مقطعی از رشد قشر مغز از زمان‌های اولیه (چپ) تا اواخر (راست) در طول هیستوژنز. قشر پستانداران از داخل به بیرون با تقسیم سلولی در ناحیه بطنی (VZ) رشد می‌کند و برخی از سلول‌ها به لایه مناسب در قشر مهاجرت می‌کنند. سلول‌های گلیال شعاعی بزرگراهی را تشکیل می‌دهند که در طول آن سلول‌های مهاجر در مسیر قشر مغز حرکت می‌کنند. CP = صفحه قشر مغز؛ CTX = قشر; EL = لایه اپاندیمی. IZ = منطقه میانی. ML = لایه مولکولی؛ MZ = منطقه حاشیه ای; SP = زیر صفحه; SZ= ناحیه زیر بطنی; WM = ماده سفید

The migratory cells travel outward from the subventricular zone by moving along peculiar cells known as radial glial cells, which stretch from the subventricular zone to the surface of the developing cortex. The work of radial glial cells does not end with development. These cells are transformed into astrocytes in the adult brain, helping to form part of the blood-brain barrier.

سلول‌های مهاجر با حرکت در امتداد سلول‌های عجیب و غریب به نام سلول‌های گلیال شعاعی، که از ناحیه زیر بطنی به سطح قشر در حال توسعه کشیده می‌شوند، از ناحیه زیر بطنی به سمت خارج حرکت می‌کنند. کار سلول‌های گلیال شعاعی با توسعه خاتمه نمی‌یابد. این سلول‌ها در مغز بالغ به آستروسیت تبدیل می‌شوند و به تشکیل بخشی از سد خونی مغز کمک می‌کنند.

As the first migrating neurons approach the surface of the developing cortex-a point known as the cortical plate-they stop short of the surface. Neurons that migrate later pass beyond the termination point of the initial neurons and end up in more superficial positions positions nearer the outer cortical surface. Thus, it is said that the cortex is built from the inside out, because the first neurons to migrate lie in the deepest cortical layers, whereas the last to migrate move farthest out toward the cortical surface.

همانطور که اولین نورون‌های مهاجر به سطح قشر در حال توسعه نزدیک می‌شوند – نقطه ای که به عنوان صفحه قشری شناخته می‌شود – از سطح می‌ایستند. نورون‌هایی که بعداً مهاجرت می‌کنند از نقطه پایانی نورون‌های اولیه عبور می‌کنند و در موقعیت‌های سطحی‌تر و نزدیک‌تر به سطح بیرونی قشر مغز قرار می‌گیرند. بنابراین، گفته می‌شود که قشر از داخل به بیرون ساخته می‌شود، زیرا اولین نورون‌هایی که مهاجرت می‌کنند در عمیق‌ترین لایه‌های قشر مغز قرار دارند، در حالی که آخرین نورون‌هایی که مهاجرت می‌کنند دورتر به سمت سطح قشر مغز حرکت می‌کنند.

NEURONAL DETERMINATION AND DIFFERENTIATION

تعیین و تمایز عصبی

The cortex is made up of many different types of neurons organized in a laminar fashion. Layer IV, for example, contains large pyramidal cells, layer III is populated primarily by stellate cells, and so on. You may be wondering how that population of virtually identical precursor cells gives rise to the variety of neurons and glial cells in the adult cortex. What determines the type of neuron that a migrating cell is fated to become?

قشر مغز از انواع مختلفی از نورون‌ها تشکیل شده است که به شکل آرامی‌سازماندهی شده اند. به عنوان مثال، لایه IV حاوی سلول‌های هرمی‌بزرگ است، لایه III عمدتا توسط سلول‌های ستاره ای پر شده است و غیره. ممکن است تعجب کنید که چگونه این جمعیت از سلول‌های پیش ساز تقریباً یکسان باعث ایجاد انواع نورون‌ها و سلول‌های گلیال در قشر بالغ می‌شود. چه چیزی نوع نورونی را تعیین می‌کند که یک سلول مهاجر قرار است به آن تبدیل شود؟

The answer lies in the timing of neurogenesis. Experimental manipulation of developing cells has shown that the differentiated cell type is not hardwired into the code of each developing neuron. Neurons that are experimentally prevented from migrating, by being exposed to high- energy X-rays, eventually form cell types and patterns of connectivity that would be expected from neurons created at the same gestational stage. Even though the thwarted neurons might remain in the ventricular zone, they display interconnections with other neurons that would be normal if they had migrated to the cortical layers normally.

پاسخ در زمان‌بندی نوروژنز نهفته است. دستکاری تجربی سلول‌های در حال رشد نشان داده است که نوع سلول متمایز شده به کد هر نورون در حال رشد متصل نشده است. نورون‌هایی که به طور تجربی با قرار گرفتن در معرض پرتوهای ایکس پرانرژی از مهاجرت جلوگیری می‌کنند، در نهایت انواع سلول‌ها و الگوهای اتصالی را تشکیل می‌دهند که از نورون‌های ایجاد شده در همان مرحله بارداری انتظار می‌رود. حتی اگر نورون‌های خنثی‌شده ممکن است در ناحیه بطنی باقی بمانند، آنها اتصالات متقابلی را با نورون‌های دیگر نشان می‌دهند که اگر به طور طبیعی به لایه‌های قشر مغز مهاجرت کرده بودند، طبیعی بود.

The timeline of cortical neurogenesis differs across cortical cytoarchitectonic areas, but the inside-out pat- tern is the same for all cortical areas. Because the timeline of cortical neurogenesis determines the ultimate pattern of cortical lamination, anything that affects the genesis of cortical neurons will lead to an ill-constructed cortex. A good example of how neuronal migration can be disrupted in humans is fetal alcohol syndrome. In cases of chronic maternal alcohol abuse, neuronal migration is severely disrupted and results in a disordered cortex, leading to a plethora of cognitive, emotional, and physical disabilities.

جدول زمانی نوروژنز قشر مغز در مناطق سیتوآرشیتکتتونیک قشر متفاوت است، اما الگوی درون به بیرون برای همه نواحی قشری یکسان است. از آنجایی که جدول زمانی نوروژنز قشر مغز الگوی نهایی لایه‌بندی قشر مغز را تعیین می‌کند، هر چیزی که بر پیدایش نورون‌های قشر مغز تأثیر بگذارد منجر به یک قشر بد ساخت می‌شود. یک مثال خوب از اینکه چگونه مهاجرت نورون‌ها در انسان مختل می‌شود، سندرم جنین الکل است. در موارد سوء مصرف مزمن الکل مادر، مهاجرت نورون‌ها به شدت مختل می‌شود و منجر به اختلال در قشر مغز می‌شود که منجر به انبوهی از ناتوانی‌های شناختی، عاطفی و جسمی‌می‌شود.

The Baby Brain: Ready to Rock ‘n’ Roll?

مغز بچه: آماده برای راک اند رول؟

A host of behavioral changes takes place during the first months and years of life. What accompanying neurobiological changes enable these developments? Even if we assume that neuronal proliferation continues, we know that at birth, the human brain has a fairly full complement of neurons, and these are organized to form a human nervous system that is normal, even if not complete in all details. Which details are incomplete, and what is known about the time course of brain maturation?

مجموعه ای از تغییرات رفتاری در ماه‌ها و سال‌های اول زندگی رخ می‌دهد. چه تغییرات عصبی زیستی همراه این پیشرفت‌ها را ممکن می‌کند؟ حتی اگر فرض کنیم که تکثیر نورون‌ها ادامه دارد، می‌دانیم که در هنگام تولد، مغز انسان دارای مکمل نسبتاً کاملی از نورون‌ها است، و اینها به گونه ای سازماندهی شده اند که یک سیستم عصبی انسان را تشکیل دهند که طبیعی است، حتی اگر در تمام جزئیات کامل نباشد. کدام جزئیات ناقص است و چه چیزی در مورد دوره زمانی بلوغ مغز شناخته شده است؟

Although the brain nearly quadruples in size from birth to adulthood, the change is not due to an increase in neuron number. A substantial amount of that growth comes from synaptogenesis (the formation of synapses) and the growth of dendritic trees. Synapses in the brain begin to form long before birth-before week 27 in humans (counting from conception)-but they do not reach peak density until after birth, during the first 15 months of life. Synaptogenesis is more pronounced early in the deeper cortical layers and occurs later in more superficial layers, following the pattern of neurogenesis described earlier.

اگرچه اندازه مغز از تولد تا بزرگسالی تقریباً چهار برابر می‌شود، اما این تغییر به دلیل افزایش تعداد نورون‌ها نیست. مقدار قابل توجهی از این رشد ناشی از سیناپتوژنز (تشکیل سیناپس‌ها) و رشد درختان دندریتیک است. سیناپس‌ها در مغز مدت‌ها قبل از تولد – قبل از هفته ۲۷ در انسان (با شمارش از زمان لقاح) شروع به شکل گیری می‌کنند – اما تا پس از تولد، در ۱۵ ماه اول زندگی، به اوج تراکم نمی‌رسند. سیناپتوژنز در اوایل لایه‌های قشر عمیق‌تر مشخص‌تر است و بعداً در لایه‌های سطحی‌تر اتفاق می‌افتد، به دنبال الگوی نوروژنز که قبلاً توضیح داده شد.

At roughly the same time that synaptogenesis is occurring, neurons of the brain are increasing the size of their dendritic arborizations, extending their axons, and under- going myelination. Synaptogenesis is followed by synapse elimination (sometimes called pruning), which continues for more than a decade. Synapse elimination is a means by which the nervous system fine-tunes neuronal connectivity, presumably eliminating the interconnections between neurons that are redundant, unused, or do not remain functional.

تقریباً همزمان با وقوع سیناپتوژنز، نورون‌های مغز اندازه درختکاری‌های دندریتیک خود را افزایش می‌دهند، آکسون‌های خود را گسترش می‌دهند و میلین می‌شوند. سیناپتوژنز با حذف سیناپس (گاهی اوقات هرس نامیده می‌شود) دنبال می‌شود که برای بیش از یک دهه ادامه دارد. حذف سیناپس وسیله ای است که از طریق آن سیستم عصبی اتصالات عصبی را به خوبی تنظیم می‌کند و احتمالاً اتصالات متقابل بین نورون‌هایی را که زائد، استفاده نشده یا فعال باقی نمی‌مانند، حذف می‌کند.

Use it or lose it! The person you become is shaped by the growth and elimination of synapses, which in turn are shaped by the world you’re exposed to and the experiences you have. A specific example of synaptic pruning comes from primary visual cortex (BA17): Initially, there is overlap between the projections of the two eyes onto neurons in BA17. After synapse elimination, the cortical inputs from the two eyes within BA17 are nearly completely segregated. The axon terminals relaying information from each eye form a series of equally spaced patches (called ocular dominance columns), and each patch receives inputs from predominantly one eye.

از آن استفاده کنید یا از دست بدهید! فردی که شما تبدیل می‌شوید با رشد و حذف سیناپس‌ها شکل می‌گیرد که به نوبه خود توسط دنیایی که در معرض آن قرار دارید و تجربیاتی که دارید شکل می‌گیرد. یک مثال خاص از هرس سیناپسی از قشر بینایی اولیه (BA17) می‌آید: در ابتدا، بین برآمدگی‌های دو چشم بر روی نورون‌ها در BA17 همپوشانی وجود دارد. پس از حذف سیناپس، ورودی‌های قشر از دو چشم در داخل BA17 تقریباً به طور کامل جدا می‌شوند. پایانه‌های آکسون که اطلاعات هر چشم را منتقل می‌کنند، مجموعه‌ای از تکه‌های با فاصله مساوی (که ستون‌های غالب چشمی‌نامیده می‌شوند) را تشکیل می‌دهند و هر وصله ورودی عمدتاً از یک چشم دریافت می‌کند.

One of the central hypotheses about the process of human synaptogenesis and synapse elimination is that the time course of these events differs in different cortical regions. The data suggest that in humans, synaptogenesis and synapse elimination peak earlier in sensory (and motor) cortex than in association cortex. By contrast, in the brain development of other primates, synaptogenesis and pruning appear to occur at the same rates across different cortical regions. Differences in methodology, however, must be resolved before these interspecies variations will be wholly accepted. Nonetheless, compelling evidence suggests that different regions of the human brain reach maturity at different times.

یکی از فرضیه‌های اصلی در مورد فرآیند سیناپتوژنز انسان و حذف سیناپس این است که دوره زمانی این رویدادها در نواحی مختلف قشر مغز متفاوت است. داده‌ها نشان می‌دهد که در انسان، سیناپتوژنز و حذف سیناپس در قشر حسی (و حرکتی) زودتر از قشر ارتباطی به اوج می‌رسد. در مقابل، در رشد مغزی دیگر پستانداران، به نظر می‌رسد سیناپتوژنز و هرس با سرعت یکسان در مناطق مختلف قشر مغز اتفاق می‌افتد. با این حال، قبل از اینکه این تغییرات بین گونه ای به طور کامل پذیرفته شوند، تفاوت در روش شناسی باید حل شود. با این وجود، شواهد قانع کننده نشان می‌دهد که مناطق مختلف مغز انسان در زمان‌های مختلف به بلوغ می‌رسند.

The increase in brain volume that occurs postnatally is also a result of both myelination and the proliferation of glial cells. White matter volume increases linearly with age across cortical regions (Giedd et al., 1999). In contrast, gray matter volume increases nonlinearly, showing a preadolescent increase followed by a postadolescent decrease. In addition, the time courses of gray matter increase and decrease are not the same across different cortical regions. In general, these data support the idea that postnatal developmental changes in the human cerebral cortex may not occur with the same time course across all cortical regions (see also Shaw et al., 2006).

افزایش حجم مغز که پس از زایمان اتفاق می‌افتد نیز در نتیجه میلین و تکثیر سلول‌های گلیال است. حجم ماده سفید به صورت خطی با افزایش سن در نواحی قشر مغز افزایش می‌یابد (Giedd et al., 1999). در مقابل، حجم ماده خاکستری به صورت غیرخطی افزایش می‌یابد، که نشان‌دهنده افزایش قبل از نوجوانی و به دنبال آن کاهش پس از نوجوانی است. علاوه بر این، دوره‌های زمانی افزایش و کاهش ماده خاکستری در مناطق مختلف قشر مغز یکسان نیست. به طور کلی، این داده‌ها از این ایده حمایت می‌کنند که تغییرات رشد پس از تولد در قشر مغز انسان ممکن است با یک دوره زمانی یکسان در تمام مناطق قشر مغز رخ ندهد (همچنین به Shaw et al., 2006 مراجعه کنید).

Birth of New Neurons Throughout Life

تولد نورون‌های جدید در طول زندگی

One principle about the human brain that once dominated in the neuroscience community was the idea that the adult brain produces no new neurons. This view was held despite a variety of claims of neurogenesis in the brain in histological studies dating as far back as the time of Ramón y Cajal. In the last couple of decades, however, studies using an array of modern neuroanatomical techniques have challenged this belief.

یک اصل در مورد مغز انسان که زمانی در جامعه علوم اعصاب غالب بود، این ایده بود که مغز بالغ هیچ نورون جدیدی تولید نمی‌کند. این دیدگاه علی‌رغم ادعاهای گوناگونی مبنی بر نوروژنز در مغز در مطالعات بافت‌شناسی که قدمت آن‌ها به زمان رامون و کاخال بازمی‌گردد، وجود داشت. با این حال، در چند دهه اخیر، مطالعاتی که با استفاده از مجموعه‌ای از تکنیک‌های عصبی آناتومیک مدرن انجام شده است، این باور را به چالش کشیده است.

Neurogenesis in adult mammals has now been well established in two brain regions: the hippocampus and the olfactory bulb. Neurogenesis in the hippocampus is particularly noteworthy because it plays a key role in learning and memory. In rodents, studies have shown that stem cells in a region of the hippocampus known as the dentate gyrus produce new neurons in the adult, and these can migrate into regions of the hippocampus where similar neurons are already functioning. It is important to know that these new neurons can form dendrites and send out axons along pathways expected of neurons in this region of the hippocampus, and they can also show signs of normal synaptic activity. These findings are particularly interesting because the number of new neurons correlates positively with learning or enriched experience (more social contact or challenges in the physical environment) and negatively with stress (e.g., living in an overcrowded environment). Moreover, the number of newborn neurons is related to hippocampal-dependent memory (Shors, 2004).

نوروژنز در پستانداران بالغ در حال حاضر به خوبی در دو ناحیه مغز ایجاد شده است: هیپوکامپ و پیاز بویایی. نوروژنز در هیپوکامپ به ویژه قابل توجه است زیرا نقش کلیدی در یادگیری و حافظه دارد. در جوندگان، مطالعات نشان داده‌اند که سلول‌های بنیادی در ناحیه‌ای از هیپوکامپ به نام شکنج دندانه‌دار، نورون‌های جدیدی را در بزرگسالان تولید می‌کنند و این سلول‌ها می‌توانند به مناطقی از هیپوکامپ مهاجرت کنند، جایی که نورون‌های مشابه در حال حاضر کار می‌کنند. دانستن این نکته مهم است که این نورون‌های جدید می‌توانند دندریت‌ها را تشکیل دهند و آکسون‌ها را در امتداد مسیرهای مورد انتظار از نورون‌ها در این ناحیه از هیپوکامپ بفرستند، و همچنین می‌توانند نشانه‌هایی از فعالیت طبیعی سیناپسی را نشان دهند. این یافته‌ها به‌ویژه جالب هستند زیرا تعداد نورون‌های جدید به طور مثبت با یادگیری یا تجربه غنی شده (تماس اجتماعی یا چالش‌های بیشتر در محیط فیزیکی) و منفی با استرس (مانند زندگی در یک محیط شلوغ) مرتبط است. علاوه بر این، تعداد نورون‌های نوزاد با حافظه وابسته به هیپوکامپ مرتبط است (شورس، ۲۰۰۴).

Other investigators have found that these new neurons become integrated into functional networks of neurons and participate in behavioral and cognitive functions in the same way that those generated during development do (Ramirez-Amaya et al., 2006). Future work will be required to establish whether adult neurogenesis occurs more broadly in the mammalian brain or is restricted to the olfactory bulb and hippocampus.

محققان دیگر دریافتند که این نورون‌های جدید در شبکه‌های عملکردی نورون‌ها ادغام می‌شوند و در عملکردهای رفتاری و شناختی به همان شیوه‌ای که آن‌هایی که در طول رشد تولید می‌شوند شرکت می‌کنند (رامیرز-آمایا و همکاران، ۲۰۰۶). کار آینده برای تعیین اینکه آیا نوروژنز بزرگسالان به طور گسترده‌تری در مغز پستانداران رخ می‌دهد یا محدود به پیاز بویایی و هیپوکامپ است، مورد نیاز خواهد بود.

What about the adult human brain? Does neurogenesis also occur in mature humans? In a fascinating line of research, a team of scientists from California and Sweden (Eriksson et al., 1998) explored this question in a group of terminally ill cancer patients. As part of a diagnostic procedure related to their treatment, the patients were given Brdu, a synthetic form of thymidine used as a label to identify neurogenesis. The purpose was to assess the extent to which the tumors in the cancer patients were proliferating; tumor cells that were dividing would also take up BrdU, and this label could be used to quantify the progress of the disease.

در مورد مغز انسان بالغ چطور؟ آیا نوروژنز در انسان بالغ نیز رخ می‌دهد؟ در یک خط تحقیقاتی جذاب، تیمی‌از دانشمندان کالیفرنیا و سوئد (اریکسون و همکاران، ۱۹۹۸) این سوال را در گروهی از بیماران سرطانی لاعلاج بررسی کردند. به عنوان بخشی از یک روش تشخیصی مربوط به درمان، به بیماران Brdu داده شد، شکلی مصنوعی از تیمیدین که به عنوان برچسب برای شناسایی نوروژنز استفاده می‌شود. هدف ارزیابی میزان تکثیر تومورها در بیماران سرطانی بود. سلول‌های توموری که در حال تقسیم بودند نیز BrdU را می‌گیرند و این برچسب می‌تواند برای تعیین کمیت پیشرفت بیماری استفاده شود.

Neurons undergoing mitotic division during neurogenesis in these patients also took up BrdU, which could be observed in postmortem histological examinations of their brains. The postmortem tissue was immunostained to identify neuron- specific cell surface markers. The scientists found cells labeled with BrdU in the subventricular zone of the caudate nucleus and in the granular cell layer of the dentate gyrus of the hippocampus (Figure 2.48). By staining the tissue to identify neuronal markers, the researchers showed that the BrdU-labeled cells were neurons (Figure 2.49). These findings demonstrate that new neurons are produced in the adult human brain, and that our brains renew themselves throughout life to an extent not previously thought possible.

نورون‌هایی که در طول نوروژنز تحت تقسیم میتوزی قرار می‌گیرند، BrdU را نیز جذب کردند، که می‌توان آن را در بررسی‌های بافت‌شناسی پس از مرگ مغز آنها مشاهده کرد. بافت پس از مرگ برای شناسایی نشانگرهای سطح سلولی خاص نورون رنگ آمیزی شد. دانشمندان سلول‌های نشاندار شده با BrdU را در ناحیه زیر بطنی هسته دمی‌و در لایه سلولی دانه ای شکنج دندانه دار هیپوکامپ یافتند (شکل ۲.۴۸). با رنگ آمیزی بافت برای شناسایی نشانگرهای عصبی، محققان نشان دادند که سلول‌های نشاندار شده با BrdU نورون هستند (شکل ۲.۴۹). این یافته‌ها نشان می‌دهد که نورون‌های جدیدی در مغز انسان بالغ تولید می‌شوند و مغز ما در طول زندگی خود را تا حدی که قبلاً تصور نمی‌شد تجدید می‌کند.

These exciting results hold great promise for the future of neuroscience. Research is under way to investigate the functionality of new neurons in the adult brain and to determine whether such neuronal growth can be facilitated to ameliorate brain damage or the effects of diseases such as Alzheimer’s.

این نتایج هیجان انگیز نویدبخش آینده علوم اعصاب است. تحقیقات برای بررسی عملکرد نورون‌های جدید در مغز بزرگسالان و تعیین اینکه آیا چنین رشد عصبی می‌تواند برای بهبود آسیب مغزی یا اثرات بیماری‌هایی مانند آلزایمر تسهیل شود، در حال انجام است.

FIGURE 2.48 Newly born neurons in adult human brain tissue. (a) The hippocampus of the adult human brain, stained for a neuronal marker (NeuN). (b) The dentate gyrus granule cell layer (GCL) in a NeuN-stained section. (c) BrdU-labeled nuclei (arrows) in the granule cell layer of the dentate gyrus. (d) BrdU-labeled cells (arrow) in the granule cell layer of the dentate gyrus. (e) BrdU-stained cells (arrows) adjacent to the ependymal lining in the subventricular zone (SZ) of the human caudate nucleus. These neurons have elongated nuclei resembling the migrating cells that typically are found in the rat subventricular zone. (f) BrdU-stained cells (arrows) with round to elongated nuclei in the subventricular zone of the human caudate nucleus. Scale bars throughout = 50 μm.

شکل ۲.۴۸ نورون‌های تازه متولد شده در بافت مغز انسان بالغ. (الف) هیپوکامپ مغز انسان بالغ، رنگ آمیزی شده برای نشانگر عصبی (NeuN). (ب) لایه سلولی گرانول شکنج دندانه دار (GCL) در یک بخش رنگ آمیزی شده با NeuN. (ج) هسته‌های نشاندار شده با BrdU (فلش) در لایه سلولی گرانول شکنج دندانه دار. (د) سلول‌های نشاندار شده با BrdU (پیکان) در لایه سلولی گرانول شکنج دندانه دار. (ه) سلول‌های رنگ آمیزی شده با BrdU (فلش) در مجاورت پوشش اپاندیمی‌در ناحیه زیر بطنی (SZ) هسته دمی‌انسان. این نورون‌ها دارای هسته‌های درازی هستند که شبیه سلول‌های مهاجر هستند که معمولاً در ناحیه زیر بطنی موش‌های صحرایی یافت می‌شوند. (و) سلول‌های رنگ آمیزی شده با BrdU (فلش) با هسته‌های گرد تا کشیده در ناحیه زیر بطنی هسته دمی‌انسان. میله‌های مقیاس در سراسر = 50 میکرومتر.

FIGURE 2.49 The birth of new neurons in the dentate gyrus of the adult human (a-d) compared to those in the adult rat (e-h).
New neurons show simultaneous labeling for different stains. (a) A neuron is labeled for NeuN, a neuronal marker. (b) The same cell is labeled with BrdU, indicating that it is newly born (full arrow). (Note that the lone arrowheads in (a) through (d) are pointing to neurons that are fluorescing red or green, owing to nonspecific staining: i.e., these are not newly born neurons.) (c) This same cell is not stained by glial fibrillary acidic protein (GFAP), indicating that it is not an astrocyte. (d) The three stained sections are merged in this image, which shows that a BrdU-labeled cell could specifically coexpress NeuN without expressing GFAP. Panels (e) through (h) show the similarity of the BrdU-labeled neurons in rat dentate gyrus. Note: The scale bar is equal to 25 μm for both sets of images, so the magnification is greater in (e) through (h) than in (a) through (d).

شکل ۲.۴۹ تولد نورون‌های جدید در شکنج دندانه دار انسان بالغ (a-d) در مقایسه با نورون‌های موش بالغ (e-h).
نورون‌های جدید برچسب گذاری همزمان را برای لکه‌های مختلف نشان می‌دهند. (الف) یک نورون برای NeuN، یک نشانگر عصبی برچسب گذاری شده است. (ب) همان سلول با BrdU برچسب گذاری شده است که نشان می‌دهد تازه متولد شده است (فلش کامل). (توجه داشته باشید که نوک پیکان‌های تنها در (a) تا (d) به نورون‌هایی اشاره می‌کنند که به دلیل رنگ‌آمیزی غیراختصاصی قرمز یا سبز هستند: یعنی این‌ها نورون‌های تازه متولد شده نیستند.) (ج) همین سلول توسط پروتئین اسیدی فیبریلی گلیال (GFAP) رنگ‌آمیزی نمی‌شود، که نشان می‌دهد استروسیتی نیست. (د) سه بخش رنگ‌آمیزی شده در این تصویر ادغام شده‌اند، که نشان می‌دهد یک سلول دارای برچسب BrdU می‌تواند بطور خاص NeuN را بدون بیان GFAP بیان کند. پانل‌های (e) تا (h) شباهت نورون‌های نشاندار شده با BrdU را در شکنج دندانه دار موش نشان می‌دهند. نکته: نوار مقیاس برای هر دو مجموعه تصویر برابر با ۲۵ میکرومتر است، بنابراین بزرگنمایی در (e) تا (h) بیشتر از (a) تا (d) است.

TAKE-HOME MESSAGES

پیام‌های اصلی

▪️ Neuronal proliferation is the process of cell division in the developing embryo and fetus. It is responsible for populating the nervous system with neurons.

▪️ تکثیر عصبی فرآیند تقسیم سلولی در جنین و جنین در حال رشد است. این مسئول پر کردن سیستم عصبی با نورون‌ها است.

▪️Neurons and glial cells are formed from precursor cells. After mitosis, these cells migrate along the radial glial cells to the developing cortex. The type of cell that is made (e.g., a stellate or pyramidal cell) appears to be based on when the cell is born (genesis) rather than when it begins to migrate.

▪️نورون‌ها و سلول‌های گلیال از سلول‌های پیش ساز تشکیل می‌شوند. پس از میتوز، این سلول‌ها در امتداد سلول‌های گلیال شعاعی به قشر در حال رشد مهاجرت می‌کنند. به نظر می‌رسد نوع سلولی که ساخته می‌شود (به عنوان مثال، یک سلول ستاره ای یا هرمی) بر اساس زمان تولد سلول (پیدایش) است نه زمانی که شروع به مهاجرت می‌کند.

▪️ Synaptogenesis is the birth of new synapses; neurogenesis is the birth of new neurons.

▪️ سیناپتوژنز تولد سیناپس‌های جدید است. نوروژنز تولد نورون‌های جدید است.

▪️A belief once strongly held by most neuroscientists was that the adult brain produces no new neurons. We now know that this is not the case; new neurons form throughout life in certain brain regions.

▪️ اعتقادی که زمانی قویاً توسط اکثر دانشمندان علوم اعصاب وجود داشت این بود که مغز بالغ هیچ نورون جدیدی تولید نمی‌کند. اکنون می‌دانیم که اینطور نیست. نورون‌های جدید در طول زندگی در مناطق خاصی از مغز تشکیل می‌شوند.

Summary

خلاصه

In the brain and the rest of the nervous system, nerve cells (neurons) provide the mechanism for information processing. Neurons receive and process sensory inputs, plan and organize motor acts, and enable human thought. At rest, the neuronal membrane has properties that allow some materials (primarily ions) dissolved in intracellular and extracellular fluids to pass through more easily than others. In addition, active transport processes pump ions across the membrane to separate different species of ions, thereby setting the stage for differences in electrical potential inside and outside the neuron. These electrical differences are a form of energy that can be used to generate electrical currents that, via action potentials, can travel great distances down axons away from the neuron’s cell body. When the action potential reaches an axon terminal, it prompts the release of chemicals at a specialized region, the synapse, where the neuron contacts another neuron, muscle, or gland.

در مغز و بقیه سیستم عصبی، سلول‌های عصبی (نورون‌ها) مکانیسم پردازش اطلاعات را فراهم می‌کنند. نورون‌ها ورودی‌های حسی را دریافت و پردازش می‌کنند، اعمال حرکتی را برنامه‌ریزی و سازماندهی می‌کنند و تفکر انسان را قادر می‌سازند. در حالت استراحت، غشای عصبی دارای خواصی است که به برخی از مواد (عمدتاً یون‌های) محلول در مایعات درون سلولی و خارج سلولی اجازه می‌دهد راحت‌تر از سایرین عبور کنند. علاوه بر این، فرآیندهای انتقال فعال، یون‌ها را در سراسر غشاء پمپاژ می‌کند تا گونه‌های مختلف یون‌ها را جدا کند، در نتیجه زمینه را برای تفاوت‌های پتانسیل الکتریکی در داخل و خارج نورون فراهم می‌کند. این تفاوت‌های الکتریکی شکلی از انرژی هستند که می‌توانند برای تولید جریان‌های الکتریکی استفاده شوند که از طریق پتانسیل‌های عمل، می‌توانند مسافت‌های زیادی را به سمت پایین آکسون‌ها دور از بدنه سلولی نورون طی کنند. هنگامی‌که پتانسیل عمل به پایانه آکسون می‌رسد، باعث آزاد شدن مواد شیمیایی در یک ناحیه تخصصی، سیناپس می‌شود، جایی که نورون با نورون، عضله یا غده دیگری تماس می‌گیرد.

These chemicals (neurotransmitters) diffuse across the synaptic cleft between the neurons and contact receptor molecules in the next (postsynaptic) neuron. This chemical transmission of signals leads to the generation of currents in the postsynaptic neuron and the continuation of the signal through the system of neurons that make up a neural circuit. lon channels are the specialized mediators of neuronal membrane potential. They are large transmembrane proteins that create pores through the membrane. Transmembrane proteins also form receptors on postsynaptic neurons. These are the receptors that bind with neurotransmitters, leading to changes in the membrane potential. Neurotransmitters come in a large variety of forms. Small-molecule transmitters include amino acids, biogenic amines, and substances like ACh; large-molecule transmitters are the neuropeptides.

این مواد شیمیایی (انتقال‌دهنده‌های عصبی) در سراسر شکاف سیناپسی بین نورون‌ها و مولکول‌های گیرنده تماسی در نورون بعدی (پس‌سیناپسی) منتشر می‌شوند. این انتقال شیمیایی سیگنال‌ها منجر به تولید جریان در نورون پس سیناپسی و ادامه سیگنال از طریق سیستم نورون‌هایی می‌شود که یک مدار عصبی را تشکیل می‌دهند. کانال‌های lon واسطه‌های تخصصی پتانسیل غشای عصبی هستند. آنها پروتئین‌های گذرنده بزرگی هستند که از طریق غشاء منافذ ایجاد می‌کنند. پروتئین‌های گذرنده نیز گیرنده‌هایی را روی نورون‌های پس سیناپسی تشکیل می‌دهند. اینها گیرنده‌هایی هستند که با انتقال دهنده‌های عصبی متصل می‌شوند و منجر به تغییر در پتانسیل غشاء می‌شوند. انتقال دهنده‌های عصبی در اشکال مختلف وجود دارند. فرستنده‌های مولکولی کوچک شامل اسیدهای آمینه، آمین‌های بیوژنیک و موادی مانند ACh هستند. فرستنده‌های مولکولی بزرگ نوروپپتیدها هستند.