وقتی هوا خیلی گرم است در مغز چه اتفاقی می‌افتد؟

به گزارش گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا به نقل از وبگاه (سای تک دیلی)، وقتی آب و هوا تغییر می‌کند، کدام موجودات زنده می‌مانند و کدام می‌میرند؟ یک لارو ماهی کوچک بینش غیرمنتظره‌ای از واکنش مغز به افزایش دما ارائه می‌دهد.

در واقع بسیار باورنکردنی بود، کل مغز روشن شد. 

موجودات زنده، چه ماهی و چه انسان، با افزایش دما تمایل به عملکرد بدتری دارند. بسیاری از مردم احتمالاً در یک روز تابستانی که کمی بیش از حد گرم بود، این مشکل را پشت سر گذاشته‌اند. اما دقیقاً چه اتفاقی در داخل بدن رخ می‌دهد که بدن به طور ناخوشایندی گرم می‌شود؟

برای یافتن پاسخ، زیست شناسان دپارتمان زیست شناسی NTNU فناوری ژنتیک را با تکنیک‌های فیزیولوژی عصبی ترکیب کرده اند.

ما می‌خواستیم مکانیسم‌هایی را بررسی کنیم که تحمل حرارتی موجودات را محدود می‌کند. هنگامی که دمای زمین به دلیل تغییرات آب و هوایی افزایش می‌یابد، کدام حیوانات زنده می‌مانند و چرا؟ ما تصمیم گرفتیم به مغز نگاه کنیم.

تغییرات آب و هوا باعث ایجاد امواج گرما می‌شود

حیواناتی که در آب زندگی می‌کنند دمایی را تجربه می‌کنند که تا سطوح کشنده افزایش می‌یابد، و امواج گرمایی که از قاره‌ها عبور می‌کنند بیشتر می‌شوند. برای پیش‌بینی چگونگی سازگاری گونه‌ها با تغییرات آب و هوایی، لازم است بدانیم چه چیزی بقا در دما‌های بسیار بالا را محدود می‌کند.

تحمل حرارتی موضوعی است که برای دهه‌ها مورد تحقیق قرار گرفته است و این ایده که دما بر فعالیت مغز تأثیر می‌گذارد یک ایده قدیمی است. آنچه جدید است این است که ما اکنون می‌توانیم از فناوری ژنتیک و فیزیولوژی عصبی برای مطالعه این پدیده استفاده کنیم.

محققان در NTNU در تروندهایم فعالیت مغزی لارو‌های گورخرماهی تازه بیرون آمده را در حالی که به تدریج دمای اطراف لارو ماهی را بالا می‌بردند، مورد مطالعه قرار دادند.

این ماهی‌ها از نظر ژنتیکی اصلاح شده‌اند تا نورون‌های مغز در هنگام فعال بودن نور فلورسنت از خود ساطع کنند. ما می‌توانیم این نور را زیر میکروسکوپ ببینیم در حالی که لارو‌ها در اطراف شنا می‌کنند. این لارو ماهی‌ها همچنین این مزیت را دارند که شفاف هستند.

آندریسن می‌گوید: ما مستقیماً به مغز لارو‌های زنده نگاه می‌کنیم.

توانایی پاسخگویی را از دست بدهید

به این ترتیب، محققان می‌توانند فعالیت مغز را دنبال کنند و به تدریج دمای آبی را که ماهی‌ها در آن شنا می‌کنند افزایش دهند.

ما می‌توانیم ببینیم که لارو‌ها با گرم‌تر شدن چگونه رفتار می‌کنند. وقتی هوا به شدت گرم می‌شود، تعادل خود را از دست می‌دهند و شروع به شنای دایره‌ای، با شکم بالا می‌کنند.

محققان لارو‌های ماهی را برای بررسی پاسخ آن‌ها به صدا درآوردند. آن‌ها دم لارو‌ها را تکان دادند که معمولاً باعث واکنش شنا می‌شود.

در دمای معینی، ماهی واکنشی به پوک‌ها متوقف کرد. آن‌ها هنوز زنده بودند، اما از نظر زیست محیطی، می‌توان آن‌ها را مرده در نظر گرفت. در آن شرایط خارج از طبیعت، آن‌ها نمی‌توانند از شکارچیان شنا کنند یا راه خود را به سمت آب سردتر بیابند.

اندراسن می‌گوید: به محض اینکه دوباره آن‌ها را در آب سردتر قرار دادیم، در وضعیت خوبی قرار دارند.

گرما مغز را خاموش می‌کند

تاکنون، آزمایش‌ها همان‌طور که محققان انتظار داشتند پیش رفته بود. با تابش نور در مقابل چشمان ماهی، آن‌ها همچنین می‌توانند بررسی کنند که آیا مغز آثار بصری را درک می‌کند یا خیر.

با افزایش دما، مغز به طور کامل به محرک‌ها پاسخ نمی‌دهد و کاملاً غیرفعال بود. اما بعد، وقتی دما را کمی بیشتر کردند، اتفاقی افتاد.

تمام مغز روشن شد. آندریاسن می‌گوید نزدیک‌ترین چیزی که می‌توانم به توصیف آنچه دیدیم برسم، نوعی تشنج بود.

به طور معمول، شما فقط فعالیت مغز را به شکل لکه‌های کوچک نوری در قسمت‌های مشخصی از مغز می‌بینید. اکنون محققان شگفت‌زده می‌توانند زیر میکروسکوپ مشاهده کنند که چگونه نور فلورسنت در عرض چند ثانیه پخش می‌شود و کل مغز لارو ماهی کوچک را می‌پوشاند.

ما می‌دانیم که مغز گورخرماهی شباهت‌های زیادی با مغز انسان دارد - ۷۰ درصد مواد ژنتیکی یکسان است - و محققان حدس زده اند که آیا می‌تواند ارتباطی بین آنچه ما در این لارو ماهی دیدیم و آنچه شما در آن می‌بینید وجود داشته باشد. آندریسن می‌گوید: مغز کودکانی که تب دارند.

در مرحله بعد، محققان می‌خواهند نوع خاصی از سلول‌های مغزی - سلول‌های گلیال - را زیر میکروسکوپ قرار دهند.

آنچه که ما در اینجا برای بررسی هیجان‌زده هستیم، فعالیت سلول‌های گلیال در طول گرمایش است. این سلول‌ها نقش اصلی را در اکسیژن رسانی به مغز ایفا می‌کنند.

آن‌ها هم سطح اکسیژن را بررسی می‌کنند و هم جریان خون و در نتیجه تامین اکسیژن را تنظیم می‌کنند. از آنجایی که می‌توانیم ببینیم که سطح اکسیژن بر تحمل حرارتی تأثیر می‌گذارد، یک فرضیه این است که مغز از کار می‌ایستد، زیرا سلول‌های گلیال دیگر قادر به تنظیم سطح اکسیژن نیستند.

تفاوت‌ها باعث پیشرفت تکامل می‌شوند

محققان در تروندهایم برای بررسی دقیق‌تر آنچه اتفاق افتاد، شروع به دستکاری مقدار اکسیژن در آبی که ماهی‌ها در آن شنا می‌کردند، کردند و در عین حال دما را افزایش دادند.

در کمال تعجب متوجه شدیم که سطح اکسیژن در کنترل تحمل حرارتی نقش دارد. هنگامی که ما اکسیژن اضافی اضافه کردیم، ماهی لارو در دما‌های بالا عملکرد بهتری داشت، فعالیت مغزی بالاتری داشت و همچنین از قرار گرفتن در معرض محدودیت‌های حرارتی بالاتر در مقایسه با ماهی‌های با اکسیژن کم، سریع‌تر بهبود یافت.

مطالعات روی گونه‌های دیگر نتایج متضادی را هنگام آزمایش اثر غلظت اکسیژن بر تحمل حرارتی به همراه داشته است.

«بی‌حساس بودن» نسبت به نوسانات سطح اکسیژن می‌تواند یک مزیت تکاملی با افزایش دمای زمین باشد.

یافته‌ها نشان می‌دهد که تحمل حرارتی چیزی است که بین گونه‌ها متفاوت است. این می‌تواند مشخصه‌ای باشد که تعیین می‌کند آیا یک گونه می‌تواند خود را با تغییرات اقلیمی سازگار کند یا در برابر افزایش دما تسلیم می‌شود.

بسیاری از ارگانیسم‌ها در محیط‌های فقیر از اکسیژن زندگی می‌کنند که در آن دما می‌تواند به سرعت بالاتر از حد معمول باشد.

آندراسن می‌گوید: آن‌ها به ویژه آسیب پذیر خواهند بود.

او ارگانیسم‌هایی را به عنوان مثال می‌آورد که در مناطق کم عمق آب شیرین، در رودخانه‌ها یا در منطقه جزر و مدی زندگی می‌کنند.

این‌ها زیستگاه‌هایی هستند که نوسانات زیادی در سطح اکسیژن می‌تواند اتفاق بیفتد، اغلب همزمان با نوسانات دما. در این زیستگاه ها، ماهیانی که تحمل حرارتی آن‌ها توسط سطح اکسیژن محدود است، احتمالاً بیشتر از ماهیانی که تحت تأثیر آن قرار نمی‌گیرند، مبارزه می‌کنند.

آندریاسن می‌گوید: حیواناتی که قادر به حفظ عملکرد عصبی در سطوح پایین اکسیژن هستند، ممکن است آن‌هایی باشند که دمای بالا را به بهترین نحو تحمل می‌کنند.