کشف راهی دقیق برای مشاهده پیام میان نورونهای مغز
وقتی یک نورون میخواهد پیامی را به نورون بعدی منتقل کند، مادهای شیمیایی به نام گلوتامات را در فاصلهای بسیار کوچک میان خود و سلول بعدی آزاد میکند. این فاصله که «سیناپس» (Synapse) نام دارد، نقطهای است که ارتباط واقعی سلولهای مغزی در آن شکل میگیرد. همه آنچه ما به عنوان فکر کردن، یاد گرفتن یا به خاطر سپردن میشناسیم، در نهایت به همین تبادلهای بسیار سریع و ظریف در سطح سیناپسها وابسته است.
اما ثبت و دیدن این لحظههای کوتاه کار سادهای نیست. آزادسازی گلوتامات در زمانی بسیار کوتاه رخ میدهد و مقدار آن نیز در هر بار آزادسازی میتواند بسیار کم باشد. ابزارهایی که تاکنون برای شناسایی این ماده استفاده میشدند، پیشرفت بزرگی محسوب میشدند، اما همیشه نمیتوانستند رویدادهای بسیار ضعیف یا سریع را با وضوح کافی ثبت کنند. گاهی سیگنالهای پشت سر هم با یکدیگر ادغام میشدند و تشخیص دقیق آنها دشوار بود.
پژوهشی که به تازگی در مجله «نیچر» (Nature) منتشر شده و این مصاحبه بر پایه آن انجام شدهاست، نسل جدیدی از «نشانگرهای فلورسنت» (Fluorescent indicators)، پروتئینها یا مولکولهای مهندسیشدهای که در واکنش به یک ماده یا رویداد زیستی خاص نور تولید میکنند و به پژوهشگران امکان میدهند آن فرآیند را بهصورت مستقیم و در زمان واقعی مشاهده و اندازهگیری کنند؛ گلوتامات را معرفی میکند.
این ابزارها هم حساستر هستند و مقادیر کمتر گلوتامات را بهتر شناسایی میکنند، و هم میتوان سرعت خاموش شدن آنها را متناسب با نوع آزمایش تنظیم کرد. این ویژگی باعث میشود پژوهشگران بتوانند فعالیتهای سیناپسی را با دقت بیشتری ببینند و بررسی کنند که مدارهای عصبی چگونه در جریان یادگیری، تجربه یا حتی در شرایط بیماری تغییر میکنند.
در همین راستا، آناتک با دکتر «ابهی آگاروال» (Abhi Aggarwal)، دانشجوی پزشکی در دانشکده پزشکی کامینگ در دانشگاه کلگری (University of Calgary) و پژوهشگر همکار در «مؤسسه مغز هاچکیس» (Hotchkiss Brain Institute) و از پژوهشگران این مطالعه، درباره چگونگی توسعه این ابزارها و تأثیر آنها بر آینده تحقیقات علوم اعصاب گفتوگو کردهاست.
دکتر ابهی آگاروال (Dr. Abhi Aggarwal)
نشانگرهای گلوتامات چیستند و چرا برای مطالعه مغز اهمیت دارند؟
نشانگرهای گلوتامات ابزارهای مولکولی هستند که به دانشمندان اجازه میدهند ببینند سلولهای مغزی چه زمانی با یکدیگر ارتباط برقرار میکنند. در مغز، نورونها از طریق مواد شیمیاییای به نام ناقلهای عصبی (مولکولهایی که پیامهای عصبی را بین سلولها منتقل میکنند) با هم ارتباط دارند. فراوانترین ناقل عصبی تحریکی، گلوتامات یعنی مهمترین ماده شیمیایی تحریککننده در مغز است. زمانی که یک نورون میخواهد به نورون دیگری پیام بفرستد، گلوتامات را در فضای بسیار کوچکی میان آنها که سیناپس نام دارد، آزاد میکند.
نشانگرهای گلوتامات پروتئینهای فلورسنت مهندسیشده (پروتئینهایی که هنگام فعال شدن نور تولید میکنند) هستند که هنگام شناسایی گلوتامات روشن میشوند. این ویژگی به پژوهشگران امکان میدهد ارتباط عصبی را بهصورت لحظهای مشاهده کنند؛ در واقع میتوانند زیر میکروسکوپ گفتوگوی نورونها را ببینند. این موضوع بسیار قدرتمند است، زیرا به ما اجازه میدهد بررسی کنیم اطلاعات چگونه در مدارهای مغزی طی رفتار، یادگیری، حافظه و بیماری جریان مییابد.
مطالعه شما نسخههای جدیدی از نشانگرهای گلوتامات با حساسیت بالاتر و نرخهای غیرفعالسازی تنظیمشده را معرفی میکند. این بهبودها از نظر عملی برای پژوهشگرانی که فعالیت عصبی را مشاهده میکنند چه معنایی دارد؟
از نظر عملی، حساسیت بالاتر به این معناست که میتوانیم مقادیر کمتر گلوتامات را با وضوح بیشتر و نسبت سیگنال به نویز (میزان وضوح سیگنال واقعی در مقایسه با اختلالات پسزمینه) بالاتر شناسایی کنیم. این امر به پژوهشگران اجازه میدهد رویدادهای ظریف سیناپسی را که پیشتر ممکن بود از دست بروند، مشاهده کنند.
نرخهای غیرفعالسازی تنظیمشده به این اشاره دارد که حسگر پس از شناسایی گلوتامات با چه سرعتی خاموش میشود. برخی آزمایشها به حسگرهای بسیار سریع نیاز دارند تا انفجارهای سریع فعالیت را دنبال کنند، در حالی که برخی دیگر از حسگرهای کمی کندتر که سیگنالها را در طول زمان یکپارچه میکنند سود میبرند. با ارائه چندین واریانت با سینتیکهای متفاوت (سرعت و الگوی زمانی فعال و غیرفعال شدن حسگر)، به پژوهشگران این انعطافپذیری را میدهیم که حسگر متناسب با پرسش آزمایشی خود را انتخاب کنند. این موضوع شبیه انتخاب سرعت شاتر دوربین است؛ بسته به اینکه در حال عکاسی از یک مرغ مگسخوار باشید یا یک منظره.
محدودیتهای اصلی نشانگرهای پیشین گلوتامات چه بود و طراحی جدید شما چگونه این چالشها را برطرف میکند؟
نشانگرهای اولیه گلوتامات تحولآفرین بودند، اما محدودیتهایی داشتند. در برخی موارد، حساسیت آنها برای شناسایی قابل اعتماد رویدادهای آزادسازی منفرد سیناپسی کافی نبود. در موارد دیگر، سینتیک پاسخ (Response kinetics) یعنی سرعت و نحوه تغییر پاسخ حسگر در طول زمان، آنها برای تفکیک انتقال عصبی بسیار سریع ایدهآل نبود.
در توسعه نسخههای بهینهسازیشده از یک حسگر فلورسنت برای شناسایی گلوتامات، یعنی «iGluSnFR۳» و «iGluSnFR۴» ما بر بهبود درخشندگی، «دامنه دینامیکی» (Dynamic range) که میزان تغییر شدت سیگنال بین حالت خاموش و فعال است و تنظیم سینتیکی تمرکز کردیم. از طریق مهندسی پروتئین که اصلاح هدفمند ساختار ژنتیکی و مولکولی یک پروتئین برای بهبود عملکرد آن است و غربالگری در مقیاس وسیع، واریانتهایی را ایجاد کردیم که روشنتر، حساستر و دارای سرعتهای غیرفعالسازی متفاوت هستند. این بهبودها اندازهگیریها را قابلاعتمادتر میکنند، نویز را کاهش میدهند و دامنه پرسشهای زیستی قابل بررسی را گسترش میدهند.
چرا کنترل نرخ غیرفعالسازی هنگام مطالعه انتقال سیناپسی اهمیت دارد؟
انتقال سیناپسی بسیار سریع رخ میدهد، اغلب در حد هزارم ثانیه. اگر یک حسگر خیلی آهسته غیرفعال شود، سیگنالهای حاصل از رویدادهای متوالی ممکن است با هم ادغام شوند و تشخیص رویدادهای آزادسازی منفرد دشوار شود. اگر بیش از حد سریع غیرفعال شود، ممکن است فعالیت تجمعی در شلیکهای با فرکانس بالا را از دست بدهد.
با تنظیم نرخهای غیرفعالسازی، به پژوهشگران این امکان را میدهیم که زمانبندی حسگر را با پدیده زیستی مورد مطالعه خود هماهنگ کنند. این موضوع بهویژه برای تفکیک رویدادهای سیناپسی منفرد در مقابل فعالیت پایدار شبکهای اهمیت دارد.
این نشانگرهای بهبودیافته چگونه به پژوهشگران امکان میدهند فعالیت را در سطح سیناپسهای منفرد مشاهده کنند؟
سیناپسهای منفرد واحدهای بنیادی ارتباط عصبی هستند. با این حال، آنها بسیار کوچک و بهصورت فشرده در کنار یکدیگر قرار گرفتهاند. حساسیت بالاتر و نسبت سیگنال به نویز بهبودیافته به ما اجازه میدهد آزادسازی گلوتامات را در سیناپسهای منفرد با اطمینان بیشتری شناسایی کنیم. این امر به پژوهشگران امکان میدهد نقشهبرداری کنند که چگونه اتصالات منفرد در جریان یادگیری یا بیماری تغییر میکنند.
درک فعالیت در این سطح میکروسکوپی اهمیت زیادی دارد، زیرا بسیاری از اختلالات عصبی و روانپزشکی احتمالاً شامل اختلالات ظریف در سطح سیناپسی هستند، بسیار پیش از آنکه تغییرات گسترده در مقیاس کل مغز رخ دهد.
به زبان ساده، چگونه این نشانگرها را مهندسی کردید تا به حساسیت بالاتری دست یابند و نوآوری اصلی در رویکرد شما چه بود؟
به زبان ساده، ما از روشی به نام «تکامل هدایتشده» (Directed evolution)، روشی آزمایشگاهی برای ایجاد جهشهای متعدد در یک پروتئین و انتخاب نسخههای با عملکرد بهتر استفاده کردیم. میتوان آن را مانند تکامل در یک لوله آزمایش تصور کرد. در طبیعت، پروتئینها طی میلیونها سال و از طریق تغییرات ژنتیکی کوچک که برای عملکرد بهتر انتخاب میشوند تکامل مییابند. ما اساساً این فرایند را در آزمایشگاه تسریع کردیم.
هزاران نسخه کمی متفاوت از حسگر گلوتامات ایجاد کردیم که هر یک دارای جهشهای کوچک بودند، سپس آنها را بهصورت نظاممند غربال کردیم تا واریانتهایی را شناسایی کنیم که روشنتر، حساستر یا پاسخدهی قویتری به گلوتامات دارند. این کار شبیه جلو بردن سریع تکامل و انتخاب سازگارترین پروتئینها برای وظیفهای خاص است.
نوآوری کلیدی، ترکیب این رویکرد تکاملی با آزمونهای «عملکردی پرظرفیت» (High-throughput) یعنی امکان بررسی تعداد بسیار زیادی نمونه بهصورت همزمان، مستقیماً در نورونها بود. به جای اندازهگیری عملکرد تنها در سامانههای سادهشده، حسگرها را در همان زمینه زیستی که قرار بود استفاده شوند بهینهسازی کردیم. این کار کمک کرد اطمینان حاصل شود که بهبودها برای آزمایشهای واقعی علوم اعصاب معنادار هستند.
این نشانگرهای جدید تا چه اندازه با تکنیکهای تصویربرداری موجود سازگار هستند؟
این نشانگرها بهطور ویژه طراحی شدند تا با روشهای تصویربرداری پرکاربرد سازگار باشند. آنها در «میکروسکوپی دو-فوتونی» (Two-photon microscopy)، روشی پیشرفته برای تصویربرداری از عمق بافت مغز در حیوانات زنده با استفاده از لیزر عملکرد خوبی دارند؛ روشی که معمولاً برای تصویربرداری در عمق مغز حیوانات زنده استفاده میشود.
همچنین با «فایبر فوتومتری» (Fiber photometry)، روشی برای اندازهگیری فعالیت جمعی نورونها در حیوانات آزادانه در حال حرکت از طریق ثبت سیگنالهای نوری نیز سازگار هستند. این روش فعالیت در سطح جمعیتی را در حیوانات آزادانه در حال حرکت اندازهگیری میکند. با تضمین سازگاری با پلتفرمهای رایج، هدف ما این بود که پذیرش و استفاده از این ابزارها برای آزمایشگاهها در سراسر جهان ساده باشد.
به لطف این نشانگرهای حساستر و قابل تنظیمتر، اکنون چه پرسشهای پژوهشی جدیدی میتوان بررسی کرد؟
این حسگرهای بهبودیافته به پژوهشگران اجازه میدهند آزادسازی گلوتامات را از سیناپسهای منفرد با اطمینان بیشتری شناسایی کنند، «الگوهای سریع انتقال عصبی» (Neurotransmission) یعنی فرایند انتقال پیام شیمیایی یا الکتریکی بین نورونها را تفکیک کنند، تغییرات قدرت سیناپسی در جریان یادگیری را مطالعه کنند و اختلالات ظریف مدارهای عصبی را در مدلهای بیماری بررسی کنند.
از آنجا که اکنون میتوانیم انتقال عصبی را با دقت بیشتری اندازهگیری کنیم، میتوانیم پرسشهای دقیقتری درباره نحوه رمزگذاری اطلاعات در مدارهای عصبی، چگونگی ذخیره و پردازش پیامها در شبکه نورونی و تغییر آنها مطرح کنیم.
آیا کاربردهای بالقوه برای این فناوری در مطالعه اختلالات عصبی یا روانپزشکی متصور هستید؟ در صورت مثبت بودن پاسخ شما، این ابزار چگونه میتواند کمک کند؟
قطعاً. بسیاری از اختلالات عصبی و روانپزشکی، از جمله صرع، اختلالات طیف اوتیسم، اسکیزوفرنی و افسردگی، تصور میشود که با تغییر در «سیگنالدهی تحریکی» (Excitatory signaling)، انتقال پیامهای عصبی که احتمال فعال شدن نورون بعدی را افزایش میدهد و اختلال عملکرد سیناپسی همراه باشند.
نشانگرهای بهبودیافته گلوتامات به پژوهشگران اجازه میدهند مستقیماً اندازهگیری کنند که انتقال تحریکی در مدلهای بیماری چگونه تغییر کرده است. این امر میتواند به شناسایی سازوکارهای مدار عصبی و نحوه تعامل نورونها در قالب شبکههای عصبی کمک کند و بهطور بالقوه مسیر توسعه درمانهای هدفمندتر را هموار سازد.
اگرچه این ابزارها در حال حاضر در محیطهای پژوهشی استفاده میشوند، تأثیر بلندمدت آنها ممکن است در شکلدهی به نحوه درک و در نهایت درمان اختلالات مغزی باشد.
با نگاه به آینده، گامهای بعدی برای بهبود حسگرهای گلوتامات یا گسترش کاربرد آنها در پژوهشهای علوم اعصاب چیست؟
مسیرهای آینده شامل گسترش تنوع طیفی ایجاد حسگرهایی با رنگهای فلورسنت متفاوت برای ثبت همزمان چند سیگنال است تا بتوان چندین سیگنال را بهطور همزمان اندازهگیری کرد، و نیز حسگرها برای هدفگیری «زیرسلولی اختصاصی» (Subcellular targeting) تطبیق داد؛ یعنی هدایت حسگر به بخشهای مشخصی از یک نورون، مانند دندریت یا آکسون.
همچنین علاقه فزایندهای به یکپارچهسازی این حسگرها با روشهای تصویربرداری پیشرفته و رویکردهای محاسباتی، استفاده از مدلسازی و تحلیل دادههای پیچیده با کمک الگوریتمها و رایانه برای نقشهبرداری از مدارهای عصبی کامل در حال فعالیت وجود دارد.
در نهایت، هدف این است که ارتباط عصبی را با دقتی روزافزون قابل مشاهده کنیم و به این ترتیب درک بهتری از عملکرد مغز در سلامت و بیماری به دست آوریم.
انتهای پیام/