الاستماع بدلاً من الرؤية: إعادة تكوين الخلايا العصبية في الدماغ لتتكيف مع الظلام

يعتبر البشر ، مثلهم مثل العديد من الحيوانات الأخرى على هذا الكوكب ، مخلوقات يومية. يتم ضبط جميع أنظمة أجسامنا تقريبًا للنشاط أثناء النهار وللراحة أثناء الليل. أهم منظم للوقت الذي ننام فيه وعندما نبقى مستيقظين هو عقولنا. وهو مسؤول أيضًا عن معالجة المعلومات الواردة من خلال الحواس. تعتمد دقة هذه المعلومات على الظروف التي وردت فيها وكيف نترجمها: في الشفق يوجد علاقة معلقة على المعطف ، ويخبرنا عقولنا: "هذا وحش سيأكلنا الآن". ومع ذلك ، في ظل ظروف معينة ، يمكن لبعض الإشارات تعويض عيوب الآخرين.

سنلتقي بكم اليوم دراسة قام فيها علماء من جامعة ماريلاند (الولايات المتحدة الأمريكية) بوضع الفئران المختبرية في ظلام دامس لمدة أسبوع كامل. كيف تغير سلوك الفئران أثناء التجربة ، وما هي التغيرات في الشبكات العصبية في المخ لديهم ، وما هي الاستنتاجات التي استخلصها العلماء من ملاحظاتهم؟ سوف يلقي تقرير الباحثين الضوء على هذه الأسئلة. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

نعلم جميعًا أنه عند الانتقال من غرفة مضاءة جيدًا إلى غرفة مظلمة ، فإن رؤيتنا تحتاج إلى التكيف قليلاً. وتسمى هذه العملية procaic تماما - تكيف العينين. عندما نذهب إلى غرفة مضاءة بشكل سيئ ، تبدأ أعيننا بالذعر للتكيف مع الظروف الجديدة ، وبعد ذلك تبطئ هذه العملية. إذا أغمضت عينيك لبضع دقائق قبل دخول الظلام ، فسوف يستمر التكيف بشكل أفضل وببطء. من المعتقد أنه لهذا السبب كان للقراصنة عصب العينين في إحدى العينين: عندما دخلوا السفينة ، حيث لم تكن الإضاءة هي الأفضل ، غيّروا العصابة في العين الأخرى ، وبالتالي أغلقوا سابقًا معلومات أفضل. يبدو أن هذا صحيح ، ولكن يمكن أن يكون قصة خرافية بسيطة.

ومع ذلك ، بالإضافة إلى الرؤية ، هناك مشاعر أخرى ، بما في ذلك السمع. كثيرا ما سمعنا أن المكفوفين يسمعون بشكل أفضل. يُعتقد أيضًا أن اللدونة الحسية ضمن طريقة واحدة * أكثر تطوراً عند الأطفال ، ومع ذلك ، حتى عند البالغين ، قد تتطور اللدونة المتقاطعة.

الطريقة * - انتماء إشارة معينة إلى نظام استشعار معين. هناك مثل هذه الأنواع من الوسائط: البصرية ، والسمعية ، المؤلمة ، الحركية ، إلخ.

في حالة اللدونة المتقاطعة ، يتم إعادة تنظيم الخلايا العصبية في الدماغ بطريقة تجمع بين وظائف نظامين أو أكثر. تحدث هذه الظاهرة غالبًا على خلفية الحرمان الحسي (تدهور) نظام معين بسبب الصدمة أو المرض. إعادة التنظيم العصبي الأكثر وضوحا موجودة في الأشخاص الذين أصيبوا بالعمى أو الصم منذ الولادة. وهذا هو ، كلما كان الحرمان أطول ، زادت قوة اللدونة المتقاطعة.

بمعنى آخر ، يمكن تعويض فقدان الطريقة الحسية عن طريق اللدونة في المشاعر الأخرى. أظهرت الدراسات السابقة أن المكفوفين منذ الولادة يرون إشارات الصوت أفضل بكثير ، وموقع مصادرهم (توطين الأصوات) وخصائص التردد. من الواضح أن هذه التغييرات تكون أكثر تطوراً في حالات العيوب الحسية الخلقية. ومع ذلك ، حتى عند البالغين من الأنواع المختلفة ، قد تتطور اللدونة الحسية والمتعددة الوسائط بسبب التغيرات البيئية.

على سبيل المثال ، تؤدي الفترات القصيرة من الحرمان البصري في القوارض على المستوى الخلوي إلى زيادة انتقائية التردد في القشرة السمعية (A1) ، مع تقليل قيمة العتبة وزيادة معدل انتقال النبضات بواسطة الخلايا العصبية L4 ( الطبقة المهادية 4 ) من القشرة السمعية. تغييرات مماثلة على المستوى الخلوي هي نتيجة التغيرات في الدوائر العصبية. يؤدي تأثير الظلام إلى زيادة في الإشارات المهادية الواردة في L4 ، حيث تصعد الاتصالات داخل القشرة من الخلايا العصبية L4 إلى الخلايا العصبية L2 / 3 (الطبقة المهادية 2/3) ، بالإضافة إلى تعزيز الروابط الداخلية المثيرة والمثبطة داخل الطبقة L2 / 3 ، إلى L2 / 3 واتصالات الملاحظات من L2 / 3 إلى L4.

ومع ذلك ، يتم تحويل المنبهات الحسية إلى معلومات ليس عن طريق الخلايا العصبية الفردية ، ولكن عن طريق مجموعاتهم (السكان). لذلك ، يمكن أن يكون لتغيير العلاقة بين الخلايا العصبية داخل هذه المجموعات تأثير مباشر على تكوين المعلومات من الإشارات الواردة.

نظرًا لأن إدراك الترددات الصوتية يتراوح بين L4 و L2 / 3 ، فقد قرر العلماء التحقق مما إذا كانت التأثيرات المؤقتة للظلام على الأفراد في سن ناضجة يمكنها إعادة هيكلة الخلايا العصبية وعلاقتها مع بعضها البعض داخل القشرة السمعية للماوس المختبر. تم استخدام التصوير ثنائي الفوتون الكالسيوم (كا ²⁺ ) لمراقبة عملية التغيرات في الدماغ. تم قياس النشاط الناجم عن الصوت للخلايا العصبية L2 / 3 و L4 ، مما يدل على وجود زيادة في انتقائية التردد.


الصورة رقم 1: تصوير ثنائي الفوتون للكالسيوم (Ca ²⁺ ) للخلايا العصبية في الفئران A1.

وكانت الفئران التجريبية الفئران المختبرية ، التي تم تقسيمها بشكل عشوائي إلى مجموعتين: السيطرة (عاش تحت الإضاءة العادية ، 9 أفراد) والاختبار (عاش في الظلام ، 6 أفراد). البقاء في الظلام (DE - التعرض الظلام) كان قصير الأجل نسبيا - 1 أسبوع ( 1A ).


الجدول رقم 1: سمح لنا تصوير الكالسيوم بالحصول على صورة لنشاط مئات الخلايا العصبية في كل طبقة من طبقات القشرة السمعية.

يلاحظ العلماء أيضًا أن الدراسات السابقة أظهرت أن DE لا يتسبب في أي تغييرات في خصائص نفاذية الخلايا الداخلية ( 1C ). هذا مهم للغاية لأنه تم استخدام مؤشر الكالسيوم GCaMP6 ( 1V ) أثناء التصوير.

من أجل توصيف نشاط الخلايا العصبية الفردية في الفئران من مجموعات التحكم والاختبار ، تم تصور رسم 300 × 300 ميكرون في طبقات L2 / 3 و L4 في لحظة تعرض الصوت (نغمة نقية) 4–64 كيلو هرتز ، 60 ديسيبل ( 1D ). أولاً ، تم تحديد الخلايا التي استجابت لهذه المحفزات. تصنف الخلية التي تفاعلت على الأقل بطريقة ما على أنها "متجاوبة". بعد التعرض للظلام ، لم تتغير نسبة الخلايا المتفاعلة في L4 ، ولكن في الخلايا L2 / 3 استجاب عدد أقل من الخلايا للحافز ( 1E ) ، مما يشير إلى sparsification (زيادة في الفواصل الزمنية بين شيء ما) من الاستجابات القشرية في الطبقات الحبيبية.

أظهر تسجيل الوحدات الفردية * أن خلايا L4 الموجودة في الفئران من مجموعة الاختبار لديها تردد عصبي أعلى تلقائي وداكن بفعل الظلام (نشاط الخلايا العصبية).

تسجيل الوحدات الفردية * - طريقة لقياس رد الفعل الكهربية للخلية العصبية الفردية باستخدام المجهر الكهربائي.

تقرر أيضًا معرفة ما إذا كانت هناك تغييرات مماثلة موجودة على مستوى الخلايا الفردية في الطبقة L2 / 3. لتقييم النشاط التلقائي للخلايا العصبية (SD) معربا عن GCaMP6s الماوس ، تم قياس عمليات مضان عابرة التي سبقت ظهور التحفيز وخلال التصوير لفترات طويلة دون أي محفز.

بعد البقاء في الظلام ، زاد النشاط التلقائي للخلايا العصبية في كل من L4 و L2 / 3 ( 1F ).

قد يرتبط انخفاض في حساسية الدرجات اللونية مع تغيير في توليف تردد الخلايا العصبية في القشرة السمعية. أظهرت التسجيلات السابقة للألكترودات الدقيقة أن خلايا L4 في الفئران في مجموعة الاختبار زادت من انتقائية التردد ، وبما أن L2 / 3 تستقبل مدخلات من L4 ، يمكن أن توجد نفس التغييرات في L2 / 3. بعد ذلك ، تم إنشاء منحنيات توليف لكل خلية استجابة بناءً على أقصى استجابة ناتجة عن إعادة إنتاج الأصوات ( 2A ).


الصورة رقم 2: البقاء في الظلام يزيد من حساسية وانتقائية تردد الخلايا العصبية في كل من L4 و L2 / 3.

أولاً ، تم قياس سعة الاستجابات المثارة عند أفضل تردد (BF ، أي تردد الذروة على المنحنى). زادت سعة الاستجابة بعد التعرض للظلام في كل من الخلايا العصبية L4 والخلايا العصبية L2 / 3 ، ومع ذلك ، كان في L4 أنه أكبر ( 2B ). تتفق هذه الملاحظة تمامًا مع السجلات الفيزيائية الكهربية وزيادة في القوام المهادي القشري * إلى L4.

الرنين الثلاثي - * ظاهرة التذبذب المتزامن (التنشيط المتزامن الدوري للفرد من الخلايا العصبية) من الخلايا العصبية من نوى مختلفة من المهاد والمناطق ذات الصلة من القشرة الدماغية.

Afferent * عبارة عن خلية عصبية تنقل النبضات من المستقبلات إلى المخ أو الحبل الشوكي.

بعد ذلك ، قمنا بتقييم انتقائية تردد الخلايا في الفئران من مجموعات الاختبار والتحكم. أظهر التحليل أن عرض النطاق الترددي للخلايا العصبية L4 و L2 / 3 بعد التعرض للظلام كان أقل منه في الحيوانات من المجموعة الضابطة ( 2C ).

تشير مجمل هذه الملاحظات إلى أن التغييرات بعد الظلام على مستوى الخلية الفردية هي نفسها في كلا L4 و L2 / 3 ، إلا أن اتساع الاستجابة في L4 يزداد بعد الظلام ، ولكن ليس في L2 / 3.

لذلك ، بعد وقت معين ، يمكن أن يؤدي التعرض للظلام إلى تغيرات في الاستجابات التي يسببها الصوت للخلايا العصبية في القشرة السمعية في كل من L4 و L2 / 3. لكن في L4 ، ستظل هذه التغييرات أكثر أهمية من L2 / 3. على الرغم من تفاعل عدد أقل من الخلايا مع الأصوات بعد التعرض للظلام ، إلا أن الخلايا التي استجابت في A1 أصبحت أكثر حساسية وانتقائية للصوت. بمعنى آخر ، في الظلام ، تعمل الخلايا العصبية في القشرة السمعية على مبدأ "الجودة ، وليس الكمية" ، نظرًا لأن عدد الخلايا المستجيبة يتناقص ، لكن نشاطها يزداد.


الصورة 3: التعرض للظلام يغير توزيع انتقائية التردد في القشرة السمعية.

تُظهر بيانات المراقبة أن الخلايا الحساسة للون في القشرة السمعية L4 تُظهر سعة أعلى للاستجابات ، وأن الخلايا في كلتا الطبقتين A1 أظهرت زيادة انتقائية في الصوت بعد التعرض للظلام. ومع ذلك ، فإن هذه التغييرات على مستوى الخلايا الفردية لا تفسر لماذا ، بعد التعرض للظلام ، هناك عدد أقل من الخلايا العصبية المتفاعلة في L2 / 3. يمكن الخلايا العصبية في الطبقات القشرية الحسية ضبط توليفها على أساس العوامل السلوكية. علاوة على ذلك ، يمكن أن تؤدي التجربة الحسية المبكرة إلى تغيير مساحة القشرة السمعية ، التي تستجيب لأصوات تردد معين. بناءً على هذه المعلومات ، اقترح العلماء أن المجموعات العصبية الفردية غيرت تفضيلاتها للمنبهات الخارجية.

لاختبار هذه الفرضية ، درس العلماء توزيع الترددات المفضلة لمجموعات الخلايا العصبية في الفئران من مجموعات الاختبار والتحكم.

الفئران من مجموعة التحكم ترددات "المفضل" في المدى من 4 إلى 64 كيلو هرتز ، في حين أن معظم الخلايا العصبية تفضل الأصوات في النطاق من 8 إلى 32 كيلو هرتز. لكن الفئران من مجموعة الاختبار تفاعلت بشكل أكثر فعالية مع الترددات العالية في النطاق 32-64 كيلو هرتز ( 3B ).

لوحظت زيادة في عدد الخلايا الأكثر استجابة للترددات العالية (32-64 كيلو هرتز) في الطبقة L2 / 3 ، والخلايا الأقل (4-8 كيلو هرتز) في الطبقة L4. في كلا الطبقتين ، لوحظ انخفاض في تصور الترددات المتوسطة في حدود 8-16 كيلو هرتز ( 3A ).

كما تعلمون ، يتم تشفير المنبهات الحسية ليس فقط عن طريق الخلايا العصبية الفردية ، ولكن أيضًا بواسطة مجموعات من الخلايا العصبية. ارتباط النشاط بين الخلايا العصبية ، بدوره ، يساهم في عملية ترميز المعلومات. في كلا L4 و L2 / 3 ، تظهر الخلايا المجاورة ارتباطًا عاليًا بالإشارات (SC) ، والتي تعكس النشاط المترابط الذي تحركه المنبه. هناك أيضًا ارتباطات زوجية (NC) ، والتي تمثل التباين المستقل عن التحفيز بين التجارب.

اقترح العلماء أن تحسين الروابط البينية الوظيفية والروابط داخل الصفائح بعد التعرض للظلام يمكن أن يؤدي إلى انخفاض في الارتباط الزوجي. لذلك ، سوف يسمح لنا NC بدراسة التغيرات في مستوى النشاط المترابط بين الخلايا العصبية في L4 و L2 / 3 بعد التعرض للظلام.


الصورة رقم 4: انخفاض NC في طبقة L4 بسبب تأثير الظلام.

أدى تأثير الظلام إلى انخفاض في NC و SC بين خلايا الطبقة L4. ومع ذلك ، في الطبقة L2 / 3 ، ظلت NCs دون تغيير عملي ( 5A ).


الصورة رقم 5: تقليل NC في الطبقة L2 / 3 بسبب تأثير الظلام.

أدى الظلام إلى انخفاض في SC بين الخلايا العصبية في L2 / 3 ( 5B ). ويترتب على ذلك أن الظلام لا يغير فقط إعدادات الخلايا العصبية الفردية ، ولكن يربطها مع بعضها البعض في طبقة L2 / 3 وفي L4.

للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء .

خاتمة

أظهرت الفئران التي بقيت في الظلام لمدة أسبوع نشاطًا عصبيًا مختلفًا تمامًا عن الفئران التي عاشت تحت الإضاءة العادية. أعادت الخلايا العصبية في القشرة السمعية للفئران من مجموعة الاختبار تكوين نفسها والروابط بين بعضها البعض من أجل إدراك أكثر دقة للترددات العالية والمنخفضة ، مع التضحية بتصور تلك الوسطى. لا يمكن للعلماء أنفسهم حتى الآن شرح هذه الانتقائية بدقة. يقترحون أن هذا قد يكون بسبب ما تريده الفئران لسماع أفضل: خطواتهم ، أصوات من الفئران الأخرى ، إلخ.

من المهم أن نلاحظ أن الفئران التجريبية كانت صحية ، أي كانت بصرهم طبيعية تماما منذ الولادة. كان يُفترض سابقًا أن مثل هذه التغييرات في النشاط العصبي من المرجح أن تحدث بشكل حصري في أولئك الذين يعانون من خلل وظيفي حسي منذ الولادة (أو منذ سن مبكرة). ومع ذلك ، كما اتضح فيما بعد ، حتى الدماغ البالغ يمكنه أن يتغير ، والتكيف مع الظروف البيئية.

في المستقبل ، يخطط العلماء لتوسيع أبحاثهم عن طريق إضافة التلاعب بالأصوات التي سوف تسمع الفئران. سيتيح لك ذلك تحديد الأصوات بدقة أكبر وإلى أي مدى تتفاعل الفئران في الظلام.

لا ترضي هذه الدراسة فضول العلماء المعتاد فحسب ، بل يمكن أن تكون مفيدة للغاية للأشخاص الذين يعانون من ضعف السمع. على وجه الخصوص ، يمكن لهذا العمل تبسيط عملية تكيف الأشخاص ضعاف السمع مع أجهزة السمع وزراعة القوقعة.

الهيكل ، الذي يتألف من مليارات الكتل القادرة على العمل بشكل منفصل عن بعضها البعض ومعًا ، لا يمكن وصفه وتفسيره بالكامل في إحدى الدراسات. دماغنا هو مثل هذا النظام. في نفس الوقت ، مع كل بحث جديد ، سنتعلم المزيد والمزيد من المعلومات القيمة عن العضو الأكثر أهمية ، والذي يمكن مقارنة لغزه بالامتدادات غير المعروفة للكون.



شكرا للمشاهدة ، والبقاء فضولي ويكون الجميع عطلة نهاية الاسبوع ، يا رفاق. :)

قليلا من الإعلان :)

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية لأصدقائك VPS المستندة إلى مجموعة النظراء للمطورين من 4.99 دولار ، وهو تمثيلي فريد من الخوادم على مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps من 19 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

Dell R730xd أرخص مرتين في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ فقط لدينا 2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجابايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟