میدان های الکتریکی نوسان زیرساخت مولکولی مغز را شکل می دهند

برای تولید بسیاری از عملکردهای خود، از جمله فکر، مغز در مقیاس های مختلف کار می کند. اطلاعاتی مانند اهداف یا تصاویر با فعالیت الکتریکی هماهنگ در بین شبکه‌های نورون‌ها نشان داده می‌شود، در حالی که درون و اطراف هر نورون ترکیبی از پروتئین‌ها و سایر مواد شیمیایی مکانیک مشارکت در شبکه را انجام می‌دهند.

یک مقاله جدید توسط محققان دانشگاه MIT، سیتی – دانشگاه لندن و دانشگاه جان هاپکینز بیان می‌کند که میدان‌های الکتریکی شبکه بر پیکربندی فیزیکی اجزای زیر سلولی نورون‌ها برای بهینه‌سازی پایداری و کارایی شبکه تأثیر می‌گذارد، فرضیه‌ای که نویسندگان آن را می‌خوانند. “کوپلینگ سیتوالکتریک.”

ارل کی میلر، پروفسور Picower در موسسه یادگیری و حافظه Picower در MIT، که یکی از نویسندگان مقاله در MIT است، گفت: “اطلاعاتی که مغز در حال پردازش است در تنظیم دقیق شبکه تا سطح مولکولی نقش دارد.” پیشرفت در نوروبیولوژی با دانشیار Dimitris Pinotsis از MIT and City -؛ دانشگاه لندن، و پروفسور Gene Fridman از جانز هاپکینز.

مغز خود را با دنیای در حال تغییر وفق می دهد. پروتئین ها و مولکول های آن نیز تغییر می کنند. آنها می توانند بارهای الکتریکی داشته باشند و باید با نورون هایی که اطلاعات را با استفاده از سیگنال های الکتریکی پردازش، ذخیره و انتقال می دهند، برسند. تعامل با میدان های الکتریکی نورون ها ضروری به نظر می رسد.”

دیمیتری پینوتسیس، دانشیار، MIT

تفکر در زمینه ها

تمرکز اصلی آزمایشگاه میلر مطالعه این است که چگونه عملکردهای شناختی سطح بالاتر مانند حافظه فعال می توانند به سرعت، انعطاف پذیر و در عین حال قابل اعتماد از فعالیت میلیون ها نورون منفرد ظاهر شوند. نورون ها می توانند به صورت دینامیکی مدارهایی را با ایجاد و حذف اتصالاتی به نام سیناپس و همچنین تقویت یا تضعیف آن اتصالات تشکیل دهند. اما، میلر گفت، این صرفا یک “نقشه راه” را تشکیل می دهد که اطلاعات می تواند حول آن جریان یابد. میلر دریافته است که مدارهای عصبی خاصی که مجموعاً یک یا آن فکر را نشان می‌دهند، با فعالیت ریتمیک هماهنگ می‌شوند، که بیشتر به عنوان «امواج مغزی» با فرکانس‌های مختلف شناخته می‌شود.

ریتم‌های سریع «گاما» به انتقال تصاویر از دید ما کمک می‌کنند (مثلاً یک کلوچه)، در حالی که امواج «بتا» آهسته‌تر ممکن است افکار عمیق‌تر ما را در مورد آن تصویر منتقل کنند (مثلاً «کالری بیش از حد»). آزمایشگاه میلر نشان داده است که با زمان بندی مناسب، انفجار این امواج می تواند پیش بینی ها را انجام دهد، نوشتن، نگه داشتن و خواندن اطلاعات در حافظه کاری را قادر می سازد. زمانی که حافظه کاری خراب می شود، آنها نیز خراب می شوند. این آزمایشگاه شواهدی را گزارش کرده است که نشان می‌دهد مغز ممکن است به طور مشخص ریتم‌ها را در مکان‌های فیزیکی خاص دستکاری کند تا نورون‌ها را برای شناخت انعطاف‌پذیر سازمان‌دهی کند، مفهومی به نام «محاسبات فضایی».

دیگر کار اخیر آزمایشگاه نشان داده است که اگرچه مشارکت تک تک نورون‌ها در شبکه‌ها ممکن است ناپایدار و غیرقابل اعتماد باشد، اطلاعاتی که توسط شبکه‌هایی که آنها بخشی از آنها هستند به طور پایدار توسط میدان‌های الکتریکی کلی تولید شده توسط فعالیت جمعی آنها نشان داده می‌شود.

کوپلینگ سیتوالکتریک

در مطالعه جدید، نویسندگان این مدل از فعالیت های الکتریکی ریتمیک هماهنگ کننده شبکه های عصبی را با سایر مدارک مبنی بر اینکه میدان های الکتریکی می توانند بر نورون ها در سطح مولکولی تأثیر بگذارند، ترکیب می کنند.

برای مثال، محققان جفت افاپتیکی را مورد مطالعه قرار داده‌اند، که در آن نورون‌ها از طریق نزدیکی غشاهای خود، به جای تکیه بر تبادلات الکتروشیمیایی در سیناپس‌ها، بر خواص الکتریکی یکدیگر تأثیر می‌گذارند. این گفتگوی متقابل الکتریکی می‌تواند بر عملکردهای عصبی از جمله زمان و اینکه آیا آنها برای انتقال سیگنال‌های الکتریکی به نورون‌های دیگر در مدار می‌پیچند یا خیر، تأثیر می‌گذارد.

میلر، پینوتسیس و فریدمن همچنین به تحقیقاتی اشاره می‌کنند که سایر تأثیرات الکتریکی را بر سلول‌ها و اجزای آن‌ها نشان می‌دهد، از جمله اینکه چگونه رشد عصبی توسط میدان‌ها هدایت می‌شود و اینکه میکروتوبول‌ها می‌توانند توسط آن‌ها تراز شوند.

اگر مغز اطلاعات را در میدان‌های الکتریکی حمل می‌کند و آن میدان‌های الکتریکی قادر به پیکربندی نورون‌ها و سایر عناصر در مغز هستند که شبکه‌ای را تشکیل می‌دهند، احتمالاً مغز از این قابلیت استفاده می‌کند. نویسندگان پیشنهاد می‌کنند که مغز می‌تواند از میدان‌ها برای اطمینان از انجام کاری که قرار است انجام دهد، استفاده کند.

اگر بخواهیم به زبان بیاوریم، موفقیت یک شبکه تلویزیونی فقط توانایی آن در انتقال سیگنال واضح به میلیون ها خانه نیست. آنچه همچنین مهم است جزئیات دقیق مانند نحوه چیدمان تلویزیون، سیستم صوتی و مبلمان اتاق نشیمن هر خانواده برای به حداکثر رساندن تجربه است. میلر گفت، هم در این استعاره و هم در مغز، حضور شبکه به تک تک شرکت‌کنندگان انگیزه می‌دهد تا زیرساخت‌های خود را برای مشارکت بهینه پیکربندی کنند.

نویسندگان در این مقاله نوشتند: جفت سیتوالکتریک اطلاعات را در سطح مزو و ماکروسکوپی به سطح میکروسکوپی پروتئین‌ها که اساس مولکولی حافظه هستند، متصل می‌کند.

این مقاله منطق الهام‌بخش جفت سیتوالکتریک را بیان می‌کند. میلر گفت: “ما فرضیه ای را ارائه می دهیم که هر کسی می تواند آن را آزمایش کند.”

تحقیقات و نوآوری بریتانیا (UKRI)، دفتر تحقیقات نیروی دریایی ایالات متحده، بنیاد JPB و موسسه یادگیری و حافظه Picower از این تحقیق حمایت کردند.