دانشمندان چینی برای نخستین بار توانستند لحظه بسیار کوتاهی را که در آن نورون‌ها یکدیگر را «می‌بوسند»، ثبت کنند؛ یک رویداد در مقیاس میلی‌ثانیه که هسته اصلی چگونگی انتقال سیگنال‌ها در مغز است. این کشف که با یک فناوری تصویربرداری انقلابی به دست آمده، به یک مناقشه ده‌ساله در مورد نحوه آزادسازی انتقال‌دهنده‌های عصبی (نوروترانسمیترها) توسط کیسه‌های سیناپسی پایان داد.
محققانی از دانشگاه علم و فناوری چین (USTC) و مؤسسات فناوری پیشرفته شنژن (بخشی از آکادمی علوم چین)، اولین دوربین جهان را ساختند که قادر است این رویدادهای در مقیاس نانومتری را در زمان متوقف کند. کار آن‌ها که این ماه منتشر شد، یک پیشرفت عمده در زمینه تصویربرداری علوم اعصاب محسوب می‌شود.
تلاش ۱۵ ساله برای ثبت پدیده‌ای نامرئی
مغز انسان برای انتقال سیگنال به ارتباط کارآمد و دقیق بین میلیاردها نورون وابسته است. این سیگنال‌ها از طریق کیسه‌های سیناپسی (Synaptic Vesicles) منتقل می‌شوند؛ کیسه‌های میکروسکوپی که انتقال‌دهنده‌های عصبی را ذخیره و آزاد می‌کنند.
بیش از ۵۰ سال بود که دانشمندان در این مورد بحث می‌کردند که آیا این کیسه‌ها به طور کامل با غشای سلولی ادغام می‌شوند («فروپاشی کامل») یا اینکه صرفاً به صورت بسیار کوتاه لمس کرده و سپس عقب‌نشینی می‌کنند («بوسه و فرار» یا Kiss-and-Run).
به گزارش نشریه South China Morning Post (SCMP)، این راز به دلیل مقیاس نانومتری و زمان‌بندی میلی‌ثانیه‌ای این فرآیند، پابرجا مانده بود؛ مسائلی که ثبت آن‌ها با میکروسکوپ‌های سنتی تقریباً غیرممکن بود. برای غلبه بر این مشکل، تیم تحت هدایت USTC، ۱۵ سال وقت صرف توسعه یک پلتفرم میکروسکوپ الکترونی کرایوژنیک با دقت زمانی و مکانی بی‌سابقه‌ای کردند.
نتیجه این تلاش، یک سیستم توموگرافی الکترونی کرایو سلولی مبتنی بر زمان (time-resolved cellular cryo-ET) است که می‌تواند فعالیت‌های عصبی را در فواصل میلی‌ثانیه‌ای و با وضوح نانومتری تصویربرداری کند. با استفاده از این سیستم، دانشمندان توانستند کل فرآیند اگزوسیتوز کیسه سیناپسی را به صورت بلادرنگ مشاهده کنند.
مدل «kiss-shrink-run»
محققان با ترکیب تحریک اپتوژنتیک (روشی که نورون‌ها را با نور فعال می‌کند) و فرآیند انجماد سریع، بیش از ۱۰۰۰ تصویر توموگرافی از سیناپس‌های هیپوکامپ موش صحرایی را ثبت کردند.
این تصاویر که در فواصل زمانی بین ۰ تا ۳۰۰ میلی‌ثانیه پس از فعال‌سازی منجمد شده بودند، یک دنباله از رویدادها را آشکار ساختند که دو مدل متضاد انتقال عصبی را با یکدیگر آشتی می‌دهد:
- بوسه (Kiss): در عرض چهار میلی‌ثانیه پس از فعال‌سازی، کیسه یک منافذ ادغامی کوچک، به عرض حدود چهار نانومتر، تشکیل داد.
- کوچک‌شدن (Shrink): سپس، سطح کیسه به سرعت تقریباً به نصف کاهش یافت.
- فرار (Run): تا ۷۰ میلی‌ثانیه، بیشتر کیسه‌ها جدا شده و از طریق مسیر «فرار» بازیافت شدند، در حالی که درصد کمتری، دچار فروپاشی کامل در غشای پیش‌سیناپسی شدند.
همان‌طور که در نشریه Science خلاصه شده، این مطالعه یک سازوکار یکپارچه به نام «بوسه-کوچک‌شدن-فرار» را برای انتقال سیناپسی توصیف می‌کند. این مدل نشان می‌دهد که ارتباط عصبی نه کاملاً گذرا است و نه کاملاً برگشت‌ناپذیر، بلکه یک فرآیند ترکیبی است که برای سرعت و کارآیی بهینه‌سازی شده است.
پل زدن میان مناقشات قدیمی و امکانات جدید
استلا هارتلی، معاون سردبیر مجله Science، اشاره کرد که این مکانیسم «مدل‌های متضاد آزادسازی انتقال‌دهنده‌های عصبی را یکپارچه می‌کند و مبانی کارآیی و قابلیت اطمینان سیناپسی را روشن می‌سازد.»
دانشگاه USTC در بیانیه‌ای که در گزارش SCMP منتشر شد، اعلام کرد که این دستاورد «یک چشم‌انداز جدید برای تعمیق درک ما از پردازش اطلاعات عصبی و عملکردها و مکانیسم‌های بیماری‌های مغزی مرتبط، فراهم می‌کند.» این دانشگاه همچنین تأکید کرد که پلتفرم تصویربرداری جدید می‌تواند برای مطالعه سایر فرآیندهای سریع درون سلولی، مانند تهاجم ویروسی و ترشح سلولی نیز مورد استفاده قرار گیرد.
با ثبت گذراترین ارتباطات مغزی در حال عمل، محققان به یک مناقشه علمی ۵۰ ساله پایان دادند و دریچه‌ای برای کاوش دقیق‌تر در ماشین‌آلات سلولی حیات باز کردند. یافته‌های این تحقیق در ژورنال Science منتشر شده است.
source
کلاس یوس