چه چیز دیگری ممکن است در زبان الکتریکی سلولهای مغز ما پنهان باشد؟
متخصصان علوم اعصاب اغلب فعالیت نورونها را بهصورت مجموعهای از رویدادهای ساده ثبت میکنند: یک سلول یک پالس الکتریکی تولید میکند یا نمیکند. زمان و تعداد ظهور این پالسها میتواند اطلاعات زیادی درباره مغز به پژوهشگران بدهد.
اما یک مطالعه پیشچاپ جدید ممکن است جزئیاتی را یافته باشد که این رویکرد از آن غافل است.
جرقههای الکتریکی میلیثانیهای تولیدشده توسط نورونها همگی یکسان نیستند. شکل آنها بهنظر میرسد سرنخهایی درباره تجربه اخیر سلول ارائه میدهد.
این یعنی یک سیگنال الکتریکی ممکن است اطلاعاتی بیش از نشانه دودویی سادهای که برای نمایش آن استفاده میشود، حمل کند.
بردلی وویتک، عصبشناس دانشگاه کالیفرنیا در ساندیگو، به ساینسآلرت گفت که این پالسهای الکتریکی که با نام پتانسیلهای عمل شناخته میشوند، تنها از دور مانند خارهای ساده و یکنواخت بهنظر میرسند.
این مطالعه هنوز داوری همتا نشده است و پژوهشگران تا انجام آن احتیاط را توصیه میکنند. اما این یافته به تصویر در حال رشدی از میزان جزئیاتی که یک سیگنال عصبی واحد میتواند در خود داشته باشد، میافزاید.
وویتک گفت: «یک پتانسیل عمل تنها زمانی که از دور نگاه میکنید مانند یک خار بهنظر میرسد، اما وقتی روی آن زوم میکنید و به شکل موج کامل آن نگاه میکنید که تنها حدود یک میلیثانیه طول میکشد، شکل آن رد ولتاژ چیزی درباره آنچه اخیراً برای آن نورون رخ داده به شما میگوید.»
«وقتی یک پتانسیل عمل را به یک رویداد دودویی تبدیل میکنیم، اطلاعات مربوط به ورودی اخیر آن را دور میریزیم.»
پژوهشگران ابتدا ثبتهای بهدستآمده از دو نورون موش را در بخشی از مغز که در بینایی نقش دارد بررسی کردند. وقتی سلولها جریانهای الکتریکی متفاوتی دریافت کردند، ویژگیهایی مانند ارتفاع سیگنالها و سرعت افت ولتاژ تغییر کرد.
این جریانها شامل یک ورودی ثابت، یک ورودی که بهتدریج افزایش مییافت و یک ورودی نوسانی معروف به نویز صورتی بودند. ثبتهای انجامشده در داخل سلولها توسط پژوهشگران دیگر، تغییرات کوچک در هر پالس الکتریکی را ثبت کردند.
در یک نورون، یک مدل یادگیری ماشین تنها با استفاده از شکل سیگنال، میان سه نوع تحریک الکتریکی با دقت ۷۸٫۴ درصد تمایز قائل شد. ثبتهای نورون دوم برای اجرای همان آزمون کافی نبود.
شکل سیگنال همچنین سرنخهایی درباره شدت یا تغییرپذیری جریان ورودی ارائه داد. برخی از این سرنخها تا نیم ثانیه پیش از پالس الکتریکی را در بر میگرفتند. این مدت طولانیتر از خود پالس است که حدود یک میلیثانیه طول میکشد.
پژوهشگران سپس ثبتهای مغزی موشهای صحرایی را بررسی کردند. این بار، آنها نورونهایی را بررسی کردند که بهطور خودانگیخته فعال بودند، نه سلولهایی که جریان الکتریکی مشخصی دریافت کرده بودند.
در ۳۰ نورون از ۴۰ نورون بررسیشده، سیگنالهای یک سلول در بیش از یک گروه متمایز از شکلها قرار گرفتند.
در تعداد کمی از نورونها، تفاوتها آنقدر زیاد بود که سیگنالهای یک سلول میتوانستند بهاندازه سیگنالهای نورونهای جداگانه متفاوت بهنظر برسند. در بیشتر سلولها، تفاوتها کوچکتر بود.
پژوهشگران همچنین شکل سیگنال را با فعالیت الکتریکی اطراف سلول مقایسه کردند. در بیشتر نورونها، شکل سیگنال قدرت یک سیگنال الکتریکی مجاور را بهتر از فاصله زمانی میان پالسها بهتنهایی پیشبینی کرد.
این رابطه در ۸۷ تا ۹۰ درصد سلولها از نظر آماری قابل تشخیص بود، هرچند قدرت پیشبینی آن معمولاً متوسط بود.
در سلولی با قویترین رابطه، شکل پالسهای آن حدود ۶۴ درصد از تغییرات یک معیار فعالیت الکتریکی مجاور را توضیح داد. این نتیجه از یک سلول انتخابشده بهدست آمد؛ بیشتر سلولها روابط بسیار ضعیفتری نشان دادند.
آیا این یعنی نورونها شکل سیگنالهای خود را تغییر میدهند تا پیامی پنهان به یکدیگر بفرستند؟
این همان بخشی از معماست که هنوز ناشناخته مانده است.
وویتک گفت: «متأسفانه دادههای ما نمیتوانند مستقیماً به این پرسش پاسخ دهند که آیا شکل خار اطلاعاتی را به سایر نورونها منتقل میکند یا نه.»
آنچه این مطالعه نشان میدهد این است که شکل سیگنال با ورودی الکتریکی اخیر سلول و فعالیت اطراف آن مرتبط است.
او به کارهای پیشین اشاره میکند که نشان میدهد تغییر عرض یک پالس الکتریکی میتواند میزان ورود کلسیم به نورون را تغییر دهد و این میتواند بر آنچه به سایر سلولها منتقل میکند تأثیر بگذارد. اینکه آیا این پدیده در اینجا نیز رخ میدهد، هنوز باید آزمایش شود.
ثبتهای مربوط به آزمایشهایی که از جریانهای الکتریکی متفاوت استفاده میکردند، تنها از دو سلول بهدست آمده بودند. هر دو مجموعه داده در اصل برای اهداف دیگری گردآوری شده بودند. بنابراین هنوز نمیدانیم این الگوها در سایر بخشهای مغز یا میان سایر انواع نورونها چقدر گستردهاند.
جنبه دیگری نیز در این یافتهها وجود دارد.
دانشمندان میتوانند از شکل سیگنالها در ثبتهای مغزی برای تشخیص تعداد نورونهای متفاوتی که به آنها گوش میدهند استفاده کنند. اگر یک سلول واحد بتواند سیگنالهایی با شکلهای متفاوت تولید کند، این کار ممکن است گاهی دشوارتر از آنچه تصور میکردیم باشد.
پرسش اصلی همچنان بیپاسخ مانده است. با ثبت زمان تولید سیگنال توسط یک نورون، ممکن است اطلاعات موجود در شکل سیگنال را نادیده بگیریم. شاید سرنخ دیگری از زبان الکتریکی مغز در شکل خود جرقه نهفته باشد.
پیشچاپ این مطالعه در bioRxiv در دسترس است.