ارتباطات عصبی بدون سیناپس؛ وقتی میدانهای الکتریکی شکاف میان نورونها را درمینوردند
ارتباطات عصبی بدون سیناپس؛ وقتی میدانهای الکتریکی شکاف میان نورونها را درمینوردند
اگر از ما بپرسند نورونها چگونه با یکدیگر ارتباط برقرار میکنند، نخستین پاسخ احتمالاً سیناپس است؛ نقطهای تخصصیافته که در آن یک نورون پیام خود را به نورون دیگر منتقل میکند. پس از آن، هدایت آکسونی و اتصالات شکافدار (Gap Junctions) نیز در توضیح ارتباطات عصبی جای میگیرند. این تصویر، اگرچه یکی از بنیادیترین چارچوبهای علوم اعصاب است، تمام داستان را روایت نمیکند.
پژوهشهایی از آزمایشگاه Dominique Durand در Case Western Reserve University نشان دادهاند که فعالیت عصبی میتواند در شرایط خاص، حتی در نبود ارتباطات سیناپسی و پس از ایجاد یک برش کامل در بافت، از یک بخش هیپوکامپ به بخش دیگر برسد. توضیحی که بیش از همه با این پدیده سازگار است، کوپلینگ افپتیک (Ephaptic Coupling) یا ارتباط عصبی وابسته به میدانهای الکتریکی خارجسلولی است. (PubMed Central (PMC))
این یافته به معنای کشف یک «سیم بیسیم» در مغز به معنای عامهپسند آن نیست؛ بلکه پنجرهای به سوی لایهای کمتر شناختهشده از ارتباطات غیرسیناپسی نورونها باز میکند؛ لایهای که در آن خودِ میدان الکتریکی حاصل از فعالیت جمعی نورونها میتواند بر تحریکپذیری نورونهای دیگر اثر بگذارد.
ارتباط عصبی بدون سیناپس چگونه ممکن است؟
نورونها در خلأ فعالیت نمیکنند. هر سلول عصبی در محیطی رسانا از مایع خارجسلولی، یونها و سلولهای مجاور قرار گرفته است. هنگامی که گروهی از نورونها بهطور هماهنگ فعال میشوند، جابهجایی بارهای الکتریکی آنها میتواند میدان الکتریکی خارجسلولی ایجاد کند.
در شرایط معمول، تصور ما از ارتباط نورونی این است که یک نورون از طریق آکسون خود به نورون دیگری میرسد و در سیناپس، ناقل عصبی آزاد میکند. اما در کوپلینگ افپتیک، میدان الکتریکی ایجادشده در فضای خارج سلول میتواند بدون نیاز به یک سیناپس کلاسیک، پتانسیل غشایی نورونهای مجاور را تغییر دهد و احتمال شلیک آنها را افزایش یا کاهش دهد.
بنابراین، در این مدل، پیام الزاماً از یک «اتصال» عبور نمیکند؛ بلکه فعالیت الکتریکی یک جمعیت عصبی، محیط الکتریکی اطراف خود را تغییر میدهد و همین تغییر محیط میتواند جمعیت دیگری از نورونها را تحت تأثیر قرار دهد.
این تفاوت ظریف اما بنیادی است: در ارتباط سیناپسی، اتصال آناتومیک اهمیت مرکزی دارد؛ در ارتباط افپتیک، میدان الکتریکی و آرایش فضایی نورونها و محیط خارجسلولی اهمیت پیدا میکند.
آزمایشی که یک شکاف را به پرسشی بزرگ تبدیل کرد
پژوهشگران برای بررسی این پدیده از برشهای هیپوکامپ موش در شرایط آزمایشگاهی استفاده کردند. فعالیت دورهای آهسته در این بافت میتوانست با سرعتی حدود ۰٫۱ متر بر ثانیه در امتداد بافت منتشر شود. نکته مهم این بود که این فعالیت حتی در شرایطی که انتقال سیناپسی شیمیایی مهار شده بود نیز میتوانست ادامه پیدا کند. (PubMed Central (PMC))
اما آزمایش تعیینکنندهتر بود.
پژوهشگران با ایجاد یک برش کامل در بافت هیپوکامپ، دو بخش بافت را از نظر فیزیکی از یکدیگر جدا کردند؛ سپس آنها را در فاصلهای بسیار نزدیک قرار دادند. اگر انتقال پیام صرفاً به سیناپسها، آکسونها یا اتصالات مستقیم سلولی وابسته بود، انتظار میرفت برش کامل، انتشار موج را متوقف کند.
اما چنین نشد.
فعالیت دورهای آهسته در یک سوی برش میتوانست در سوی دیگر نیز رویدادی عصبی ایجاد کند. حتی سرعت انتشار فعالیت پس از ایجاد برش تفاوت چشمگیری با حالت بافت سالم نداشت. این مشاهده، وجود یک سازوکار ارتباطی غیرسیناپسی را بهشدت مطرح کرد. (PubMed Central (PMC))
به زبان سادهتر، پژوهشگران با وضعیتی مواجه شدند که در آن دو قطعه بافت عصبی دیگر اتصال مستقیم با یکدیگر نداشتند، اما فعالیت الکتریکی یکی میتوانست دیگری را تحت تأثیر قرار دهد.
این همان نقطهای است که مفهوم ارتباط عصبی غیرسیناپسی از یک احتمال نظری به یک پرسش تجربی بسیار جدی تبدیل میشود.
آیا واقعاً نورونها از «شکاف» عبور میکردند؟
خیر؛ و این نکته برای فهم دقیق یافته بسیار مهم است.
هیچ آکسونی از شکاف عبور نمیکرد و هیچ سیناپسی میان دو بخش قطعشده وجود نداشت. بلکه شواهد نشان میدادند که میدان الکتریکی ایجادشده در محیط خارجسلولی میتواند در فضای میان دو قطعه بافت وجود داشته باشد و تحریکپذیری سلولهای طرف مقابل را تغییر دهد.
پژوهشگران همچنین نشان دادند که قرار دادن یک ماده عایق در محل برش میتواند انتشار فعالیت را مختل کند؛ نتیجهای که با نقش کوپلینگ میدان الکتریکی سازگار است. (PubMed Central (PMC))
این یافته اهمیت ویژهای دارد، زیرا نشان میدهد برای تأثیرگذاری یک جمعیت نورونی بر جمعیت دیگر، همیشه لازم نیست میان آنها یک مسیر فیزیکی مستقیم وجود داشته باشد.
امواج آهسته مغز؛ پدیدهای قدیمی با معنایی تازه
یکی از جذابترین ابعاد این داستان آن است که خودِ نوسانات آهسته عصبی پدیدهای ناشناخته و تازه نیستند.
سالهاست دانشمندان میدانند که شبکههای عصبی مغز، بهویژه در وضعیتهای مرتبط با خواب، میتوانند ریتمهای آهسته و هماهنگ تولید کنند. این فعالیتها با فرایندهایی مانند سازماندهی و تثبیت حافظه ارتباط داده شدهاند.
اما پرسش اساسی این بود: چگونه چنین فعالیتی میتواند در بافت عصبی گسترش یابد؟
پژوهشهای Durand و همکارانش این احتمال را مطرح کردند که میدانهای الکتریکی درونزاد ممکن است نه صرفاً محصول جانبی فعالیت نورونی، بلکه بخشی از سازوکار انتشار خودِ فعالیت باشند. در مطالعه اولیه، فعالیت آهسته میتوانست در شرایطی که انتقال شیمیایی سیناپسی و اتصالات Gap Junctions نقش نداشتند، منتشر شود. (PubMed Central (PMC))
از این منظر، میدان الکتریکی مغز دیگر صرفاً «ردپای» فعالیت نورونها نیست؛ ممکن است در شرایط خاص، خودش به یکی از بازیگران دینامیک شبکه عصبی تبدیل شود.
یک ارتباط «بیسیم»؛ اما نه آنگونه که تصور میکنیم
تعبیر «ارتباط بیسیم نورونها» از نظر رسانهای جذاب است، اما از دیدگاه علوم اعصاب باید با احتیاط استفاده شود.
این پدیده به معنای آن نیست که مغز مانند یک فرستنده رادیویی، اطلاعات پیچیده را از فاصلههای بزرگ و بدون محدودیت ارسال میکند. کوپلینگ افپتیک به شدت به شدت میدان، فاصله، هندسه نورونها، ویژگیهای غشایی و رسانایی محیط خارجسلولی وابسته است.
بنابراین، بهتر است از آن بهعنوان نوعی ارتباط وابسته به میدان الکتریکی در مقیاس موضعی یاد کنیم.
بااینحال، همین ارتباط موضعی نیز از نظر نظری بسیار مهم است؛ زیرا نشان میدهد معماری عملکردی مغز فقط از سیمکشی آکسونها و نقشه سیناپسها تشکیل نشده است. مغز علاوه بر یک شبکه آناتومیک، یک محیط الکتریکی پویا نیز دارد.
از هیپوکامپ تا صرع؛ چرا این یافته اهمیت بالینی دارد؟
اهمیت این موضوع تنها به یک پدیده عجیب در برشهای آزمایشگاهی محدود نمیشود.
مطالعات بعدی نشان دادهاند که میدانهای الکتریکی میتوانند در انتشار فعالیتهای عصبی درون مغز زنده نیز نقش داشته باشند. در مدلهای حیوانی، برخی امواج تتا، فعالیتهای بینحملهای و رویدادهای تشنجی توانستهاند از یک برش ایجادشده در هیپوکامپ عبور کنند؛ پدیدهای که با کوپلینگ میدان الکتریکی سازگار گزارش شده است. در یک مطالعه، فعالیت تتا با سرعت متوسط حدود ۰٫۱۶ متر بر ثانیه از محل برش عبور کرد و قرار دادن یک لایه عایق در مسیر، انتشار را متوقف کرد. (PubMed)
این یافته میتواند برای درک فیزیولوژی صرع، انتشار تشنج، تحریکپذیری شبکههای عصبی و اثر میدانهای الکتریکی بر مغز اهمیت داشته باشد.
حتی پژوهشهایی پیشنهاد کردهاند که کوپلینگ افپتیک ممکن است در جذب نورونها در فعالیتهای تشنجی نقش داشته باشد؛ موضوعی که میتواند به فهم محدودیت برخی رویکردهای جراحی برای مهار انتشار فعالیت صرعی کمک کند. (PubMed)
از این منظر، چیزی که در نگاه نخست یک کنجکاوی عجیب فیزیولوژیک به نظر میرسد، میتواند به پرسشی مهم در نوروفیزیولوژی صرع تبدیل شود: آیا میدانهای الکتریکی خودِ شبکه عصبی میتوانند به انتشار فعالیت پاتولوژیک کمک کنند؟
مغز فقط شبکهای از سیمها نیست
شاید عمیقترین پیام این کشف همین باشد.
برای دههها، یکی از قدرتمندترین استعارهها برای مغز، یک شبکه پیچیده از سیمها بوده است: نورونها مانند گرهها و آکسونها مانند کابلهایی که این گرهها را به یکدیگر متصل میکنند. این مدل برای فهم بسیاری از جنبههای دستگاه عصبی فوقالعاده موفق بوده است؛ اما اکنون شواهد نشان میدهد که این تصویر کامل نیست.
نورونها درون یک محیط الکتروشیمیایی مشترک زندگی میکنند. فعالیت آنها میتواند این محیط را تغییر دهد و تغییر محیط نیز میتواند بر نورونهای دیگر اثر بگذارد.
در نتیجه، مغز را میتوان نه فقط بهعنوان شبکهای از نورونها و سیناپسها، بلکه بهعنوان یک سامانه الکتریکی-زیستی پویا در نظر گرفت؛ سامانهای که در آن سلولها، سیناپسها، آکسونها، یونها، مایع خارجسلولی و میدانهای الکتریکی در مقیاسهای مختلف با یکدیگر تعامل دارند.
این دیدگاه، مفهوم نوروفیزیولوژی میدانهای الکتریکی را به یکی از حوزههای جذاب برای پژوهشهای آینده تبدیل میکند.
آیا این «نوع کاملاً جدیدی از ارتباط عصبی» است؟
اینجا باید میان جذابیت علمی و دقت علمی تعادل برقرار کرد.
Ephaptic coupling بهعنوان یک پدیده، کاملاً جدید نیست و سالهاست در علوم اعصاب مطالعه میشود. آنچه این آزمایشها را بسیار مهم کرده، نشان دادن نقش بالقوه آن در انتشار فعالیت عصبی بدون اتکا به اتصال سیناپسی یا مسیر آکسونی پیوسته، حتی در سراسر یک برش کامل بافت است. مطالعات بعدی نیز شواهدی از چنین انتشار وابسته به میدان الکتریکی را در مدلهای زنده ارائه کردهاند. (PubMed Central (PMC))
بنابراین، بیان دقیقتر این نیست که دانشمندان ناگهان «یک زبان کاملاً ناشناخته برای مغز» کشف کردهاند؛ بلکه آنها شواهد مهمی ارائه کردهاند که نشان میدهد میدانهای الکتریکی درونزاد میتوانند در شرایط خاص، یک مسیر واقعی برای تعامل و انتشار فعالیت عصبی باشند.
و این تفاوت، از نظر علمی بسیار مهم است.
افق آینده؛ آیا مغز خود را با میدانها سازمان میدهد؟
هنوز پرسشهای بنیادی بسیاری بیپاسخ ماندهاند.
آیا این سازوکار در مغز انسان نیز با اهمیت عملکردی مشابه رخ میدهد؟ آیا در خواب، حافظه و پردازش اطلاعات نقش دارد؟ آیا میدانهای الکتریکی میتوانند در هماهنگسازی جمعیتهای نورونی مشارکت کنند؟ سهم آنها در فعالیت طبیعی مغز در مقایسه با سهم سیناپسها چقدر است؟ و در بیماریهایی مانند صرع، آسیب مغزی و اختلالات شبکهای چه نقشی ایفا میکنند؟
حتی این پرسش بنیادیتر نیز مطرح میشود که آیا بخشی از چیزی که ما آن را «فعالیت شبکهای» مینامیم، حاصل تعامل دوسویه میان نورونها و میدان الکتریکیای است که خودِ همان نورونها ایجاد کردهاند؟
شاید مغز فقط پیامهایی را که نورونها برای یکدیگر میفرستند پردازش نمیکند؛ شاید بخشی از گفتوگوی آن در فضایی میان نورونها شکل میگیرد؛ در همان محیطی که زمانی تصور میکردیم صرفاً صحنهای خاموش برای انتقال پیامهای سیناپسی است.
و این همان جایی است که این کشف، از یک آزمایش شگفتانگیز در هیپوکامپ فراتر میرود: مغز ممکن است علاوه بر شبکهای که از سلولها ساخته شده، شبکهای از میدانها نیز داشته باشد؛ میدانهایی که خود محصول فعالیت نورونیاند، اما در عین حال میتوانند دوباره بر همان فعالیت اثر بگذارند.
در چنین تصویری، مغز دیگر صرفاً مجموعهای از نورونهایی نیست که از طریق سیناپس با یکدیگر سخن میگویند؛ بلکه سامانهای زنده، خودسازمانده و الکتریکی است که در آن نورونها میدان میسازند و میدانها نیز نورونها را شکل میدهند.
شاید هنوز ندانیم این زبان الکتریکی دقیقاً چه میگوید؛ اما اکنون دلیل بسیار خوبی داریم که با دقت بیشتری به سکوت میان سیناپسها گوش کنیم.
ورود/ ثبت نام با جیمیل
