برای دههها، کتابهای زیستشناسی به ما گفتهاند که آکسونها شاخههای باریک و بلند سلولهای عصبی ساختارهایی صاف و استوانهای شکل دارند. آکسونها مسئول انتقال پیامها بین نورونها با سرعت بالا هستند و نقش حیاتی در عملکردهایی مثل حرکت انگشتان و شکلگیری حافظه ایفا میکنند اما تحقیقات جدید نشان میدهد که تصویر مرتب و سادهای که در کتابها آمده، نیاز به بازنگری دارد. با استفاده از فناوریهای تصویربرداری پیشرفته، دانشمندان دریافتند آکسونها شبیه کابلهای صاف نیستند بلکه بیشتر شبیه رشتهای از حبابهای کوچک هستند، مانند مهرههای یک گردنبند. این کشف شگفتانگیز میتواند درک ما از نحوه عملکرد واقعی سیستم عصبی را دگرگون کند.
آکسونها نه لوله، بلکه مروارید
آکسونها به خاطر انتقال سریع سیگنالهای الکتریکی موسوم به «پتانسیلهای عمل» مهماند. این سیگنالها مانند انفجارهای کوتاه برق هستند که امکان ارتباط نورونها را در فواصل طولانی فراهم میکنند سرعت انتقال سیگنال اهمیت زیادی دارد؛ آکسونهای ضخیمتر مانند جادههای پهنتر، امکان عبور پیامها را سریعتر میکنند. به همین دلیل، تصور میشد آکسونها باید سطحی صاف و یکنواخت داشته باشند.
اما پژوهشگران با استفاده از روشی به نام «میکروسکوپی الکترونی با فریز فشار بالا» که سلولها را در شکل طبیعی خودشان منجمد میکند، متوجه شدند آکسونها سطحی صاف ندارند بلکه برجستگیها و باریکیهای متوالی دارند که باعث میشود آکسونها شبیه رشتهای از مهرهها یا حبابها به نظر برسند این برجستگیها که «وریکوزیتیهای غیر سیناپسی» نامیده میشوند، نه نشانه بیماری هستند و نه ورمهای تصادفی. بلکه در نورونهای سالم نیز دیده میشوند و ممکن است روی سرعت انتقال پیامها تأثیرگذار باشند.
اسکلت داخلی انعطافپذیر
علت این شکل مروارید مانند چیست؟ درون هر آکسون، چارچوبی ساختاری به نام «اسکلت دورهای غشایی» (Membrane Periodic Skeleton یا MPS) قرار دارد میتوان آن را مانند یک داربست انعطافپذیر تصور کرد که از پروتئینهایی مانند اکتین و اسپکترین ساخته شده و در زیر غشای آکسون به صورت الگوهای تکرارشونده قرار گرفته است. این اسکلت به آکسون استحکام و انعطافپذیری میبخشد.
اما نکته مهم این است که این اسکلت به غشای بیرونی آکسون چسبیده نیست. بنابراین سطح آکسون میتواند به صورت طبیعی بلرزد و برجسته شود در حالی که اسکلت داخلی همه چیز را نگه میدارد وقتی نیروهای فیزیکی مانند کشش یا فشار تغییر میکنند، این برجستگیها به صورت طبیعی ایجاد میشوند. این پدیده در فیزیک «بیثباتی مرواریدی» (pearling instability) نامیده میشود و نمونههایی از آن را در حبابهای صابون یا سوسیسها هم میبینیم.
چگونه ساختار مرواریدی آکسون را دیدند؟ سیگنالها، سرعت و قند
تیم تحقیقاتی در دانشگاه جانز هاپکینز از تکنیکی استفاده کرد که مشکلات رایج تغییر شکل سلولها را هنگام مشاهده برطرف میکند دکتر شیگکی واتانابه، استاد زیستشناسی سلولی و علوم عصبی، میگوید: «برای دیدن ساختارهای نانو با میکروسکوپ الکترونی معمول، معمولاً بافتها را خشک و تثبیت میکنیم که باعث تغییر شکل میشوند، اما منجمد کردن آنها، شکل طبیعی را حفظ میکند؛ مانند منجمد کردن یک انگور به جای خشک کردنش به کشمش.»
آنها سه نوع نورون موش را بررسی کردند: سلولهای کشتشده آزمایشگاهی، بافت مغز موش بالغ و نورونهای جنینی موش. همه آنها آکسونهایی با شکل حبابی داشتند که در دهها هزار تصویر مشاهده شد تیم تحقیق فقط به تصاویر اکتفا نکرد بلکه خواست عملکرد این شکلهای مروارید مانند را نیز بررسی کند.
آنها با همکاری دکتر پادمنی رانگامانی، فیزیکدان زیستی، مدلهای ریاضی ایجاد کردند تا اثر تغییر شرایط محیطی مانند غلظت قند یا تنش غشایی را بسنجند.افزایش قند باعث کوچکتر شدن این مرواریدها شد و کاهش تنش غشایی هم همین اثر را داشت. به نظر میرسد خواص فیزیکی و محیط سلولی هر دو روی میزان مرواریدی شدن تأثیر دارند.
در آزمایشی دیگر، با حذف کلسترول از غشای آکسون، که باعث نرمتر و سیالتر شدن آن میشود، مرواریدها کمتر شدند و توانایی آکسون برای انتقال سیگنال به طور قابل توجهی کاهش یافت واتانابه میگوید: «فضای بزرگتر در آکسون اجازه میدهد یونها سریعتر عبور کنند و از ترافیک جلوگیری شود.»
تحریک الکتریکی و تاثیر بر مرواریدها
برای بررسی بیشتر، دانشمندان به نورونهای موش تحریک الکتریکی با فرکانس بالا اعمال کردند. این کار باعث شد بخشهای مرواریدی متورم شوند و به طور متوسط ۸٪ طول و ۱۷٪ عرض بیشتری پیدا کنند این تغییرات حداقل ۳۰ دقیقه دوام داشتند و سرعت انتقال سیگنالها افزایش یافت. اما اگر غشای آکسون کلسترول نداشت، مرواریدها متورم نشدند و سرعت سیگنالها بهبود نیافت این نتایج نشان میدهد شکل آکسون، ترکیب غشا و سرعت سیگنال به هم مرتبط هستند. این مسئله تنها ساختاری نیست بلکه عملکردی هم هست.
بازنگری در کتابهای درسی
واتانابه میگوید: «این مطالعه، یک قرن تصورات ما درباره ساختار آکسون را به چالش کشیده است.»تا امروز، زیستشناسی آکسونها را به صورت لولههای صاف با برجستگیهای پراکنده در محل سیناپسها نشان میداد. اما اکنون میدانیم آکسونها بسیار پویا و انعطافپذیرتر از آن چیزی هستند که تصور میکردیم.
اگر ساختار روی عملکرد تأثیر دارد، پس شکل مروارید مانند میتواند پاسخهایی درباره نحوه حرکت سیگنالها در مغز یا دلایل اختلالات عصبی باشد این کشف فقط تغییر یک تصویر در کتاب درسی نیست، بلکه بازنگری اساسی در فرضیات پایهای علوم عصبی است و سوالاتی درباره آنچه در کابلهای ظریف و کوچک مغزمان از دست دادهایم مطرح میکند این پژوهش راه را برای درک بهتر عملکرد مغز و بازنگری در اصول علوم زیستی هموار میکند و میتواند تاثیرات مهمی در علوم پزشکی و درمان بیماریهای عصبی داشته باشد.
بیشتر بدانیم: میکروپلاستیکها در مغز
لینک منبع: earth
نظرات کاربران