این موجود مغز ندارد، اما حتی بعد از نصف شدن هم حافظه‌اش را از دست نمی‌دهد
دانشمندان دریافته‌اند موجودی تک‌سلولی که هیچ دستگاه عصبی ندارد، می‌تواند خاطره ایجاد کند و برای این کار از همان سازوکار شیمیایی استفاده می‌کند که در سلول‌های مغز انسان نیز دیده می‌شود. آیا موجودی بدون مغز و نورون قادر به شکل‌دادن خاطره است؟ درباره Stentor coer…
خلاصه تحلیلی خبر
دانشمندان دریافته‌اند موجودی تک‌سلولی که هیچ دستگاه عصبی ندارد، می‌تواند خاطره ایجاد کند و برای این کار از همان سازوکار شیمیایی استفاده می‌کند که در سلول‌های مغز انسان نیز دیده می‌شود. آیا موجودی بدون مغز و نورون قادر به شکل‌دادن خاطره است؟ درباره Stentor coer…
موضوعات اصلی: پشتیبانی شبکه، سلول، پژوهشگران، سلول‌های، Stentor، عادت‌پذیری
دانشمندان دریافته‌اند موجودی تک‌سلولی که هیچ دستگاه عصبی ندارد، می‌تواند خاطره ایجاد کند و برای این کار از همان سازوکار شیمیایی استفاده می‌کند که در سلول‌های مغز انسان نیز دیده می‌شود.
آیا موجودی بدون مغز و نورون قادر به شکل‌دادن خاطره است؟ درباره Stentor coeruleus، جانداری تک‌سلولی که در آبگیرها زندگی می‌کند و حدود یک میلی‌متر طول دارد، پاسخ مثبت است.
این موجود می‌تواند پس از دریافت ضربه‌های تکراری، به‌تدریج آنها را نادیده بگیرد. پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا در سان‌فرانسیسکو در مطالعه‌ای تازه توضیح داده‌اند که این توانایی چگونه شکل می‌گیرد. مشخص شده که این سلول برای ایجاد حافظه از همان شیمی کلسیم و آنزیم‌هایی بهره می‌برد که نورون‌های واقعی نیز به کار می‌گیرند.
با این حال، یکی از یافته‌های پژوهش کاملاً برخلاف انتظار دانشمندان بود. آنها تصور می‌کردند جلوگیری از توانایی سلول برای ساخت پروتئین، حافظه آن را از بین ببرد؛ اما نتیجه برعکس شد و سلول حتی سریع‌تر یاد گرفت.
سلولی شبیه شیپور که از ضربه جا می‌خورد
Stentor به گیاهان آبگیر می‌چسبد و برای تغذیه، آب را با حرکت مژک‌های ضربان‌دار به سمت بخش پهن بدن خود می‌کشد. وقتی چیزی به آن برخورد کند، سلول در کسری از ثانیه جمع شده و به شکل یک توپ درمی‌آید. این واکنش نوعی سازوکار فرار محسوب می‌شود، اما انرژی زیادی مصرف می‌کند و تا زمانی که سلول جمع شده، تغذیه نیز متوقف می‌ماند.
اگر این جاندار با هر تماس رشته جلبک فوراً جمع می‌شد، فرصت چندانی برای غذا خوردن نداشت. به همین دلیل Stentor پس از تجربه مجموعه‌ای از ضربه‌های بی‌خطر، به آنها عادت می‌کند و دیگر منقبض نمی‌شود. زیست‌شناسان بیش از یک قرن است این رفتار را توصیف کرده‌اند.
با وجود این، سازوکار دقیق پشت این عادت‌پذیری برای مدت طولانی ناشناخته مانده بود. در اواخر سال ۲۰۲۴، پژوهشگران مرکز تنظیم ژنوم در بارسلونا و دانشکده پزشکی هاروارد با استفاده از شبیه‌سازی رایانه‌ای نشان دادند که مدارهای زیست‌شیمیایی معمولی می‌توانند ویژگی‌های اصلی عادت‌پذیری را بازسازی کنند. آزمایش‌های دانشگاه کالیفرنیا در سان‌فرانسیسکو اکنون این پیش‌بینی را روی یک سلول زنده آزمایش کرده‌اند.
ساعت‌ها ضربه، هر دقیقه یک‌بار
آزمایشگاه والاس مارشال در دانشگاه کالیفرنیا در سان‌فرانسیسکو دستگاهی ساخت که ظرف حاوی سلول‌های Stentor را طبق برنامه‌ای ثابت تکان می‌داد؛ معمولاً هر دقیقه یک ضربه به ظرف وارد می‌شد. دوربین نیز ثبت می‌کرد کدام سلول‌ها منقبض می‌شوند. کد کنترلی این دستگاه در گیت‌هاب منتشر شده است.
پس از حدود یک ساعت ضربه‌های پی‌درپی، سهم سلول‌هایی که همچنان واکنش انقباضی نشان می‌دادند، به‌تدریج تقریباً به صفر رسید. هنگامی که تحریک متوقف شد، سلول‌ها به‌آرامی حساسیت خود را دوباره به دست آوردند.
در برخی آزمایش‌ها، پژوهشگران سلول‌ها را به مدت ۱۲ ساعت بدون وقفه آموزش دادند. سپس بررسی کردند که میزان عادت‌پذیری ۲۰، ۳۰ و ۹۰ دقیقه پس از پایان ضربه‌ها تا چه اندازه باقی می‌ماند.
والاس مارشال، استاد بیوشیمی و بیوفیزیک دانشگاه کالیفرنیا در سان‌فرانسیسکو و نویسنده ارشد مقاله، گفت
معمولاً تصور می‌کنیم یادگیری باید از شبکه‌های بزرگی از نورون‌ها ناشی شود.
زیست‌شناسان از دهه ۱۹۲۰ عادت‌پذیری در Stentor را توصیف کرده‌اند. دستگاه آزمایشگاهی جدید می‌تواند هزاران محرک کاملاً یکسان ایجاد کند. پژوهشگران همچنین آن را با روش‌های پروتئومیکس، توالی‌یابی RNA و ابزارهای خاموش‌سازی ژن ترکیب کردند؛ امکاناتی که در اختیار پژوهشگران نسل‌های پیشین قرار نداشت.
جلوگیری از ساخت پروتئین، یادگیری را سریع‌تر کرد
در جانوران، شکل‌گیری حافظه بلندمدت به تولید پروتئین‌های جدید وابسته است. اگر دارویی به یک حلزون دریایی یا موش داده شود که ساخت پروتئین را متوقف کند، حافظه جدید شکل نمی‌گیرد. برچسب‌های مولکولی نگهدارنده این خاطرات نیز در محل سیناپس‌ها قرار دارند. دیپا راجان، نویسنده اصلی پژوهش، و همکارانش انتظار داشتند Stentor نیز رفتاری مشابه نشان دهد.
پژوهشگران سلول‌ها را با پیورومایسین یا سیکلوهگزیماید، دو مهارکننده شناخته‌شده فرایند ترجمه پروتئین، تیمار کردند. مقدار مصرف به اندازه‌ای بود که تولید پروتئین در این جاندار را متوقف کند. با این حال، سلول‌های تیمارشده سریع‌تر و کامل‌تر از سلول‌های عادی به ضربه‌ها عادت کردند و این وضعیت را برای مدت طولانی‌تری حفظ کردند.
در متن مقاله آمده است
این داروها عادت‌پذیری را در Stentor سرعت می‌بخشند و ماندگاری حافظه را طولانی‌تر می‌کنند.
این نتیجه درست برخلاف اثری بود که چنین داروهایی در جانوران دارند.
والاس مارشال گفت
مدت‌ها این تصور وجود داشت که شکل‌گیری حافظه به معنای ساختن یک مولکول و فراموشی به معنای از دست دادن آن مولکول است، اما به نظر می‌رسد Stentor از این قاعده پیروی نمی‌کند.
بر اساس تفسیر گروه پژوهشی، ساخت پروتئین جدید برای بازگشت سلول به حالت اولیه ضروری‌تر از خود فرایند عادت‌پذیری است. سلولی که قادر به تولید پروتئین تازه نباشد، نمی‌تواند حالت قبلی خود را بازنشانی کند و در نتیجه وضعیت عادت‌کرده در آن باقی می‌ماند.
کلسیم، آنزیم و برچسب‌های شیمیایی
برای شناسایی سازوکار مولکولی، پژوهشگران بررسی کردند هنگام آموزش و دوره بازیابی، میزان کدام پروتئین‌ها و رونوشت‌های ژنی تغییر می‌کند. همکاران آنها در آزمایشگاه ملی شمال‌غربی اقیانوس آرام بخش مربوط به پروتئین‌ها را انجام دادند و پژوهشگران آزمایشگاه زیست‌شناسی مولکولی اروپا در هایدلبرگ نیز در بخش ژنتیک مشارکت داشتند.
سه گروه مولکولی بیش از بقیه جلب توجه کردند. یکی از این گروه‌ها شامل پروتئین‌های متصل‌شونده به کلسیم با ساختاری موسوم به EF-hand و همچنین آنزیم‌های فسفاتاز بود که برچسب‌های فسفات را از پروتئین‌ها جدا می‌کنند.
گروه سوم شامل همولوگ‌های CaMKII بود؛ همان آنزیمی که با افزودن برچسب‌های فسفات نقش مهمی در فرایندهای حافظه دارد و برای دانشمندان علوم اعصاب نیز شناخته‌شده است.
آزمایش‌های بعدی نیز این مدل را تقویت کردند. افزایش میزان کلسیم در آب باعث بهبود یادگیری شد. داروی KN-93 که CaMKII و کانال‌های کلسیمی را مهار می‌کند، سرعت عادت‌پذیری را کاهش داد و دامنه آن را نیز محدود کرد. این اثر تقریباً مشابه تأثیری است که همین ترکیب بر یادگیری در جانوران دارد.
مدل پیشنهادی پژوهشگران چنین است که با ورود کلسیم به سلول پس از هر ضربه، CaMKII گیرنده‌های حساس به تماس را روی سطح سلول علامت‌گذاری می‌کند. گیرنده‌هایی که این برچسب را دریافت کرده‌اند، دیگر ضربه‌ها را گزارش نمی‌کنند.
این روند از جهاتی شبیه نحوه تنظیم گیرنده‌ها در محل سیناپس نورون‌هاست. با این حال، مقاله مشخص نکرده که دقیقاً کدام پروتئین‌های گیرنده این برچسب‌ها را دریافت می‌کنند.
حافظه‌ای که با تقسیم سلول منتقل می‌شود
یکی از یافته‌های جالب پژوهش در بخشی فرعی از مقاله مطرح شده است. هنگامی که سلول‌های آموزش‌دیده Stentor تقسیم شدند، سلول‌های دختر نیز همان وضعیت عادت‌پذیری را به ارث بردند؛ بدون آنکه تغییری در ژنوم رخ داده باشد.
این حافظه از طریق پروتئین‌های تغییر‌یافته‌ای منتقل شد که میان دو سلول حاصل از تقسیم توزیع شده بودند. پژوهشگران هنوز مشخص نکرده‌اند این ویژگی تا چند نسل می‌تواند ادامه پیدا کند.
این نتیجه با آزمایشی در سال ۲۰۲۴ در دانشگاه نیویورک نیز همخوانی دارد. در آن پژوهش، گروه نیکلای کوکوشکین سلول‌های کلیه انسان را در معرض یک سیگنال شیمیایی با فاصله‌های زمانی مشخص قرار دادند و دریافتند این سلول‌ها در مقایسه با سلول‌هایی که یک دوز طولانی دریافت کرده بودند، ژن مرتبط با حافظه را با شدت بیشتری فعال کردند. اثر مشابهی در یادگیری انسان نیز دیده می‌شود؛ مطالعه در جلسات کوتاه و با فاصله زمانی معمولاً همان اثر فاصله‌گذاری را ایجاد می‌کند.
میتوکندری‌ها نیز ظاهراً در این فرایند نقش دارند. مطالعه‌ای در ماه فوریه روی مگس‌ها و موش‌ها نشان داد افزایش انرژی هنگام یادگیری به تبدیل خاطرات کوتاه‌مدت به خاطرات پایدار کمک می‌کند. گیاهان نیز که فاقد نورون هستند، در واکنش به تماس، سیگنال‌های مولکولی سریعی ایجاد می‌کنند.
والاس مارشال گفت
یادگیری در انسان و Stentor هر دو شامل تغییرات پروتئینی و پیام‌رسانی کلسیمی هستند. شاید سلول‌های مغزی این سازوکار را از سلول‌های ابتدایی‌تری به ارث برده باشند که خودشان توانایی یادگیری داشتند.
این برداشت در مقاله صرفاً به‌عنوان یک فرضیه مطرح شده. جمع‌بندی رسمی پژوهش محدودتر از این فرضیه می‌باشد. بر اساس مقاله، عادت‌پذیری در Stentor به پیام‌رسانی کلسیمی و فسفریلاسیون گیرنده‌های مکانیکی سطح سلول وابسته است.
وضعیت عادت‌کرده می‌تواند به سلول‌های دختر منتقل شود. فراموشی نیز ظاهراً به ساخت پروتئین‌های جدید نیاز دارد. نویسندگان، شناسایی گیرنده‌هایی که دستخوش تغییر می‌شوند و تعیین میزان شباهت این سازوکار به عملکرد نورون‌ها را از موضوعات مهم برای مطالعات بعدی معرفی کرده‌اند.
این پژوهش در نشریه Current Biology منتشر شده است.
برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.