مغز انسان حاوی حدود 86 میلیارد نورون است که در شبکه ای وسیع از صدها تریلیون اتصال به یکدیگر متصل شده اند. این اتصالات که توسط ساختارهایی به نام سیناپس پل شده اند، مدارهایی را تشکیل می دهند که مسئول هر چیزی که ما احساس می کنیم، درک می کنیم و انجام می دهیم. و با رشد، یادگیری، ایجاد خاطرات و شکل‌گیری عادت‌ها، دائماً در حال تغییر هستند.
دانشمندان علوم اعصاب مدتهاست سعی کرده اند به این مدارها نفوذ کنند تا بفهمند مغز چگونه کار می کند. فقط 20 سال پیش، آنها تکنیکی به نام اپتوژنتیک را توسعه دادند که برخی از اولین نگاه‌های اجمالی از این مدارها را در عمل ارائه کرد – از نور برای روشن و خاموش کردن سلول‌ها از جمله سلول‌های مغزی استفاده می‌کند.
این کار سه دانشمند را برنده جایزه نوبل فیزیولوژی یا پزشکی 2026 کرد. سانگکیو لی، عصب‌بیولوژیست در موسسه علوم پایه در کره جنوبی می‌گوید: اگر مسیرهای مغز بزرگراه‌ها باشند، اپتوژنتیک شبیه «کنترل حجم ترافیک در شبکه جاده‌ای است که قبلاً ساخته شده است».
حمایت از روزنامه نگاری علمی
اگر این مقاله را دوست دارید، لطفاً از روزنامه نگاری برنده جوایز ما حمایت کنید مشترک شوید. با خرید اشتراک، به اطمینان از آینده داستان‌های تاثیرگذار درباره اکتشافات و ایده‌هایی که دنیای امروز ما را شکل می‌دهند کمک می‌کنید.
لی می‌گوید حتی بهتر از آن، «تغییر ساختار خود مسیر» با ویرایش واقعی اتصالات مغز است. اخیراً، دانشمندان نحوه افزودن اتصالات جدید و حذف اتصالات موجود را کشف کرده اند و از این تکنیک ها برای تغییر رفتار حیوانات و حتی کاشت خاطرات استفاده کرده اند. در نهایت، این ابزارها می‌توانند به کشفیات در مورد مغز و حتی درمان‌های بالقوه برای شرایط روانپزشکی مانند اختلال استرس پس از سانحه (PTSD)، اسکیزوفرنی و اختلال وسواس فکری-اجباری (OCD) منجر شوند.
دان آرنولد، عصب شناس در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی می گوید: «این ایده که با دستکاری فعالیت مغز می توانید اساساً کسی را خوشحال یا غمگین یا تشنه یا گرسنه کنید، شگفت انگیز است وقتی به پیامدهای آن فکر می کنید.
ایجاد ارتباطات
کافوی دزیراسا، روانپزشک دانشگاه دوک، به طور تصادفی با “مهندسی سیناپسی” مواجه شد. او در تلاش بود تا درمان هایی را برای شرایط روانپزشکی با استفاده از رابط های مغز و ماشین برای تغییر فعالیت عصبی ایجاد کند. الکترودها در یک ناحیه مغز فعالیت می کنند و باعث می شوند کامپیوتر ناحیه دیگری را تحریک کند – اساساً این دو ناحیه را به هم متصل می کند. Но като потенциално лечение на психични заболявания، این بود که واقعاً عمل نکردند. بنابراین Dzirasa شروع به بررسی راه های دیگری برای اتصال دو ناحیه مختلف مغز کرد.
او می‌گوید: «ما متوجه شدیم که این کاری است که یک سیناپس انجام می‌دهد، بنابراین فکر کردیم، «چرا فقط یک سیناپس ایجاد نکنیم؟»
دانشمندان علوم اعصاب قبلاً راهی برای انجام این کار در موجودی با مغز بسیار ساده ایجاد کرده اند: کرم نماتد. Caenorhabditis elegans. تنها حدود 300 نورون دارد که برای دانشمندان علوم اعصاب برای مطالعه ایده آل است. در سال 2014، ایتای رابینوویچ، عصب شناس در دانشگاه عبری اورشلیم، و همکارانش با سیم کشی مجدد مدارهای عصبی کرم ها، رفتار کرم ها را با موفقیت تغییر دادند.
تیم این کار را با ایجاد نوعی سیناپس انجام داد که ذرات باردار الکتریکی را از طریق کانال های پروتئینی ویژه بین دو سلول عبور می دهد. این پروتئین ها توسط ژن هایی تولید می شوند که با استفاده از یک ویروس برنامه ریزی شده خاص به DNA سلول ها وارد می شوند. تیم رابینوویچ پروتئین‌هایی را از سیناپس‌های موش وارد کرم‌ها کردند که اتصالات مصنوعی ایجاد کرد که با سیناپس‌های موجود کرم‌ها تداخلی نداشت. محققان توانسته‌اند مداری را که حس بویایی کرم‌ها را کنترل می‌کند تغییر داده و باعث می‌شود آنها از بویی که قبلاً برایشان جذاب بود، اجتناب کنند.
از آن زمان، این تکنیک برای مطالعه مدارهای عصبی درگیر در همه چیز از اجابت مزاج گرفته تا یادگیری استفاده شده است. در یک مثال قابل توجه، تیم دیگری از محققان از آن برای گرم کردن بیش از حد حافظه استفاده کردند. Първо, те обучиха червеите да предпочитат مشخصа температура. سپس با یک سیناپس الکتریکی حافظه را دور می زنند و باعث می شوند که کرم ها به دمای بالاتر بروند. دانیل کولون راموس، نویسنده اصلی، زیست‌شناس سلولی در دانشکده پزشکی ییل، می‌گوید: «این مانند یک آزمایش بذر است که در آن با ایجاد یک ارتباط مصنوعی، خاطره‌ای را می‌سازیم».
اما آیا این رویکرد در مغزهای پیچیده‌تر پستانداران می‌تواند کارساز باشد؟ همانطور که مغزها بزرگتر و پیچیده تر می شوند، پیشگیری از اتصالات ناخواسته سخت تر می شود – آنها می توانند ویران کنند و به طور بالقوه باعث مرگ شوند. کولون راموس می گوید: “شما باید در حیوانی با میلیاردها نورون به کنترل و دقت بسیار بیشتری دست یابید.”
در مطالعه ای که در ماه مه منتشر شد، Dzirasa، Colón-Ramos و تیم آنها نشان دادند که این تکنیک می تواند با ماوس انجام شود. آنها پروتئین های سیناپسی را ایجاد کردند که فقط به یک شریک طراحی شده خاص متصل می شوند – نه به یکدیگر یا پروتئین های سیناپسی که قبلاً در مغز موش بودند. آنها از این ابزار برای اتصال انواع مختلف سلول ها در دو مدار مغزی استفاده کردند که باعث ایجاد تغییراتی در رفتار موش ها شد.
برخی از این تغییرات رفتاری نکات مشابهی را در مغز انسان ارائه می دهند. در مطالعه‌ای که در مارس گذشته بر روی سرور preprint bioRxiv منتشر شد، Dzirasa و همکارانش این ابزار را روی موش‌هایی با جهش ژنتیکی آزمایش کردند که باعث رفتارهای تکراری شبیه OCD می‌شد. محققان سیناپس هایی را برای دور زدن مدار مختل شده معرفی کردند که این رفتار پاتولوژیک را کاهش داد. Dzirasa می‌گوید: «این یک نمایش واضح از قدرت بالقوه این در تفکر در مورد بیماری‌های انسانی است.
جمع تفریق
محققان همچنین تکنیک های دیگری را برای طراحی اتصالات جدید توسعه داده اند. اما برخی شرایط ممکن است به رویکرد مخالف نیاز داشته باشند: حذف پیوندهای موجود. به عنوان مثال، اختلال استرس پس از سانحه می تواند باعث ایجاد مناظر یا صداهای بی ضرر شود که باعث اضطراب می شود. این پاسخ ها ممکن است از اتصالات ایجاد شده بین نورون های حسی و سلول های “احساس منفی” در آمیگدال ناشی شوند.
آرنولد می‌گوید: «سخت است که فکر کنید اگر بتوانید آن سیناپس‌ها را پاک کنید، شاید بتوانید از شر آن خلاص شوید.
تا به حال، ابزارهای حذف سیناپس ها بسیار دقیق تر از ابزارهای افزودن سیناپس بوده اند. برای مثال، آرنولد و همکارانش تکنیکی را کشف کردند که پروتئین‌هایی را که سیناپس‌ها را در کنار هم نگه می‌دارند، تجزیه می‌کند و آنها را به طور انبوه از نورون‌ها پاک می‌کند. سال گذشته، آنها این ابزار را به ابزاری گسترش دادند که می‌تواند فقط سیناپس‌های بازدارنده یا تحریک‌کننده را حذف کند (که به ترتیب احتمال شلیک نورون‌ها را کمتر یا بیشتر می‌کند) و می‌تواند با نور یا مواد شیمیایی فعال شود.
و در مطالعه ای در آوریل، لی و همکارانش ابزار کمی دقیق تری برای حذف سیناپس به نام Synthetic Trogocytosis یا SynTrogo توصیف کردند که با به کارگیری آستروسیت ها، نوعی سلول مغزی که به طور طبیعی سیناپس ها را هرس می کند، کار می کند. با استفاده از پروتئین‌های «قفل» و «کلید» ویژه برای تحریک هرس، تیم لی توانست کمتر از یک سوم سیناپس‌های انواع سلول‌های خاص را در دو قسمت هیپوکامپ موش، منطقه‌ای از مغز که برای حافظه حیاتی است، حذف کند. اتصالات باقی مانده قوی تر شدند و موش ها در تست های حافظه بهتر از حیوانات ویرایش نشده عمل کردند. این یافته به کاربردهای بالقوه در شرایط رشد عصبی که شامل اتصال غیرطبیعی مانند اسکیزوفرنی و همچنین مواردی که شامل اختلال حافظه مانند زوال عقل است اشاره می کند.
کولون راموس می‌گوید، داشتن تکنیک‌هایی که می‌توانند سیناپس‌ها را حذف کرده و همچنین سیناپس‌ها را اضافه کنند، «انعطاف‌پذیری بسیار بیشتری می‌دهد». “شما پدال گاز دارید، اما اکنون ترمز هم دارید، بنابراین می توانید کارهای بیشتری انجام دهید.”
با نگاهی به آینده، رابینوویچ روزی را پیش بینی می کند که دانشمندان بتوانند رابط های طراح را بسازند – ارتباطات شخصی سازی شده برای کل مغز. او می‌گوید: «شما پشت رایانه‌تان می‌نشینید و می‌گویید بیایید این مغز را بسازیم». سپس فهرستی از ژن‌هایی را که باید به ارگانیسم وارد کنید ظاهر می‌شود و شما کانکتوم مصنوعی خود را می‌سازید. رابینوویچ می‌گوید در نهایت، این می‌تواند به حیوانات ویرایش‌شده منجر شود که وظایف خاص یا حتی زندگی مصنوعی را انجام می‌دهند.
ما با استفاده از این تکنیک ها در انسان فاصله زیادی داریم. اپتوژنتیک، فناوری 20 ساله برنده جایزه نوبل، به تازگی در آزمایشات انسانی بی خطر است.
برای ویرایش مدارهای انسانی، محققان باید دریابند که چگونه DNA را به طور ایمن از سد خونی مغزی و درون نورون ها منتقل کنند. آرنولد می گوید: دانشمندان در حال کار بر روی سیستم های انتقال به مغز هستند، اما “این مانعی است که هنوز کسی آن را حل نکرده است.” و هیچ کس نمی داند این ابزارهای جدید چقدر ایمن هستند. Dzirasa می گوید: “ما شروع به آزمایش کرده ایم که آیا بافت انسانی می تواند آنها را تحمل کند یا خیر.”
و شاید مهمتر از آن، محققان قبل از اینکه بتوانند به طور مفید مداخله کنند، باید عملکرد مغز انسان را بهتر درک کنند. با این حال، مهندسی سیناپسی ممکن است همان چیزی باشد که برای کشف این موضوع لازم است. کولون راموس می گوید: “اگر نمی دانید چیزی چگونه کار می کند، نمی توانید آن را تعمیر کنید.” “این ابزارها به دانشی که ما برای هر گونه پیگیری برای شفا نیاز داریم منجر می شود.”
