خلايا الدماغ “الصامتة” التي تشكل سلوكنا وذاكرتنا وصحتنا

لعقود من الزمن، ركز علماء الأعصاب بشكل شبه حصري على نصف الخلايا الموجودة في الدماغ فقط. الخلايا العصبية لقد اعتقدوا أنهم اللاعبون الأساسيون، وكل شيء آخر كان غير مثير للاهتمام أنظمة الدعم.

بحلول عام 2010، بدأ باحث الذاكرة عنبال غوشين في التشكيك في هذا الافتراض. لقد استوحت أفكارها من الأدوات الجزيئية المبتكرة التي من شأنها أن تسمح لها بالتحقيق في مساهمات مجموعة أخرى أكثر غموضًا من الخلايا تسمى الخلايا النجمية. وما اكتشفته عن دورهم في التعلم والذاكرة أثار حماسها أكثر.

أجهزة الكمبيوتر التي تعمل على خلايا الدماغ البشري

في البداية، شعرت بأنها غريبة، خاصة في المؤتمرات. لقد تخيلت زملاءها وهم يفكرون: “أوه، هذا هو الشخص الغريب الذي يعمل على الخلايا النجمية”، كما يقول جوشين، الذي يقع مختبره في الجامعة العبرية في القدس. وتقول إن الكثير من الناس كانوا متشككين.

ولكن ليس بعد الآن. تكشف سلسلة من الدراسات المعملية في العديد من المجالات الفرعية عن مدى أهمية هذه الخلايا في تشكيل سلوكنا ومزاجنا وحالتنا المزاجية. ذاكرة. منذ فترة طويلة، اعتُبرت الخلايا النجمية بمثابة خلايا داعمة، لكنها بدأت تظهر كلاعبين رئيسيين في الصحة والمرض.

“الخلايا العصبية والدوائر العصبية هي الرئيسية وحدات الحوسبة في الدماغتقول عالمة الأحياء العصبية نيكولا ألين من معهد سالك للدراسات البيولوجية في لا جولا بكاليفورنيا، والتي أمضت حياتها المهنية في البحث عن الخلايا النجمية وغيرها من الخلايا غير العصبية، والتي تسمى مجتمعة الخلايا الدبقية، “لكن أصبح من الواضح الآن مدى تأثير الخلايا النجمية في هذا الحساب. فالاجتماعات الدبقية تشهد الآن فائضًا مستمرًا”.

الخروج من الظل

منذ القرن التاسع عشر، استطاع العلماء أن يروا بمجاهرهم البسيطة أن أدمغة الثدييات تتضمن اثنين رئيسيين أنواع الخلايا — الخلايا العصبية والدبقية — بأعداد متساوية تقريبًا.

لقد ولَّدت تقنيات القرن العشرين معظم الإثارة المتعلقة بالخلايا العصبية. وأظهر الباحثون الذين يدرسون النشاط الكهربائي للخلايا كيف تقوم بإنشاء الشبكات المعقدة التي تكمن وراء جميع وظائف الدماغ.

عندما يتم تنشيط الخلايا العصبية، تنطلق الإشارات الكهربائية على طولها بسرعة البرق، مما يتسبب في إطلاق نقاط الاشتباك العصبي الخاصة بها الناقلات العصبية الكيميائية. بعض هذه، مثل الغلوتامات، تثير الخلايا العصبية المجاورة، في حين أن الخلايا الأخرى، مثل GABA (حمض جاما أمينوبوتيريك)، تمنعها. إن تطوير تقنية تسمى التصحيح التصحيحي في السبعينيات والثمانينيات من القرن الماضي، والتي يتم فيها إدخال أقطاب كهربائية في الخلايا الفردية لقياس تدفق الأيونات عبر الأغشية، سمح للباحثين بالتحقيق في هذا النقل العصبي بتفاصيل غير مسبوقة.

أنسجة المخ، تتجمع! داخل الدفع لبناء نماذج دماغية أفضل

وعلى النقيض من ذلك، بدت الخلايا الدبقية صامتة كهربائيًا، وقد رفضها معظم الباحثين باعتبارها باهتة. تقوم بعض الخلايا الدبقية، التي تسمى الخلايا الدبقية قليلة التغصن، بتغطية الخلايا العصبية وعزلها. والبعض الآخر، الخلايا الدبقية الصغيرة، توفر جهاز المناعة في الدماغ. ثبت أن الوظائف العديدة للخلايا النجمية أكثر مراوغة.

على الرغم من أن عددًا قليلًا من علماء الدماغ ركزوا على الخلايا النجمية حتى فترة طويلة من العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، فقد تم إجراء بعض الاكتشافات الأساسية قبل ذلك¹. تحت المجهر الضوئي، تبدو الخلايا النجمية على شكل نجمة، وتمتد بين الخلايا العصبية والأوعية الدموية الصغيرة في الدماغ. إنها تشير إلى الأوعية الدموية لزيادة أو تقليل تدفقها وفقًا لنشاط الخلايا العصبية واستخراج الأكسجين والجزيئات الأخرى الواهبة للحياة من الدم لشحنها إلى الخلايا العصبية. فهي تزيل الفضلات من حول المشابك العصبية وتنظم مستويات الأيونات هناك. إنهم يستخرجون الغلوتامات من جميع أنحاء الخلايا العصبية لمنع الدوائر الاستثارية من زيادة طاقتها، وكسر الناقل العصبي ثم إعادة وحدات البناء الخاصة به إلى الخلايا العصبية.

بدأت الخلايا النجمية تبدو أكثر إثارة للاهتمام عندما أصبح من الممكن قياس حركات الكالسيوم في الخلايا. كشفت تلك القياسات أن الخلايا النجمية تستخدم التقلبات في مستويات الكالسيوم لديها لإرسال إشارات لبعضها البعض، وللخلايا الأخرى، استجابةً لجزيئات معينة في بيئتها، مثل زيادة الناقلات العصبية (انظر: “إشارات من النجوم“). وتبين أن إشارات الكالسيوم هذه، التي تتحرك ببطء مقارنة بتلك التي تمر بين الخلايا العصبية، لها عواقب كبيرة. إنها تقود العديد من الأنشطة، بما في ذلك إطلاق المزيد من جزيئات الإشارة والأيونات والمستقلبات وعوامل أخرى تؤثر على كيفية تصرف الخلايا العصبية والخلايا الدبقية الأخرى والأوعية الدموية.

نظرًا لأن العديد من جزيئات الإشارة هي ناقلات عصبية، بدأت مجموعة صغيرة من الباحثين في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين في التساؤل عما إذا كانت الخلايا النجمية قد تساهم في انتقال كهربائي فائق السرعة في الخلايا العصبية. ولكن على مدى العقد الماضي أو نحو ذلك، كشفت أدوات البحث المتزايدة الدقة عن قصة مختلفة وأكثر تعقيدًا. العديد من العلماء الذين ركزوا سابقًا بشكل حصري على الخلايا العصبية، يستخدمون الآن هذه الأدوات للتحقيق في كيفية مساهمة الخلايا النجمية في فسيولوجيا الحيوان وسلوكه.

لم يظهر أي دليل يدعم دور الخلايا النجمية في النقل العصبي فائق السرعة. بدلًا من ذلك، أصبح من الواضح أكثر من أي وقت مضى أن الخلايا النجمية تنظم المزيج الجزيئي في البيئة حول المشابك العصبية على فترات زمنية أبطأ بكثير من الإشارات العصبية، مع تغيير هذا المزيج وفقًا لحالة الدماغ، على سبيل المثال، مدى تنبيه الدماغ أو يقظته. وهذا بدوره يمكن أن يحدد ما إذا كانت الخلايا العصبية تنشط استجابةً للإشارة القادمة عبر المشبك العصبي.

لقد أظهر التقدم في الفحص المجهري مدى ارتباط الخلايا النجمية بالخلايا العصبية. بالإضافة إلى قلبها النجمي، تمتلك الخلايا النجمية بنية معقدة مع العديد من الفروع التي تمتد إلى هياكل دقيقة ودقيقة، تسمى المنشورات، التي يبلغ عرضها عشرات النانومترات فقط. عند هذا الدقة، تبدو الخلايا النجمية، التي تشكل ربع جميع خلايا الدماغ، أقل شبهًا بالنجوم وأكثر شبهاً بالكرات الكثيفة، وهي تملأ كل المساحة المتاحة بين الخلايا العصبية دون تداخل مع بعضها البعض². في الدماغ البشري، يمكن لكل خلية نجمية الاتصال بما يصل إلى مليوني مشبك عصبي. علاوة على ذلك، هناك أنواع مختلفة من الخلايا النجمية في مناطق مختلفة من الدماغ³.

يُظهر أول أطلس لتطور الدماغ كيف تتحول الخلايا الجذعية إلى خلايا عصبية

يقول عالم الأعصاب بالجيت كاخ من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس إن هذا الانتشار الواسع للخلايا النجمية له عواقب وخيمة على الدماغ. “الشكل يتبع الوظيفة في علم الأحياء.” لقد طور مختبره العديد من الأدوات الجزيئية والوراثية التي تسمح بتشغيل أو إيقاف مسارات معينة لإشارات الكالسيوم في الخلايا النجمية، مما يسمح للعلماء برؤية ما يفعله كل مسار.

قد تنقل الخلايا العصبية الإشارات التي تحرك وظائف المخ، لكن أصبح من الواضح الآن أن الخلايا النجمية تضبط تلك الإشارات عن طريق تغيير البيئة المحيطة بالمشابك العصبية، كما يقول عالم الأعصاب هونجكوي زينج، مدير معهد ألين لعلوم الدماغ في سياتل بواشنطن. “لهذا السبب من المهم التعرف على جميع خلايا الدماغ، وليس فقط الخلايا العصبية.”

الساعات والتعلم والذاكرة

وكمثال واحد فقط، قامت الخلايا النجمية بحل سؤال مفتوح في مجال علم الأحياء اليومي. كيف تحافظ الساعة الرئيسية للجسم، وهي مجموعة من الخلايا في الدماغ تسمى النواة فوق التصالبية (SCN) التي تنظم الدورات البيولوجية في إيقاع 24 ساعة تقريبًا، على حلقتها الدائرية؟ يقول مايكل هاستينغز، عالم الأحياء المتخصص في الساعة البيولوجية في مختبر البيولوجيا الجزيئية في كامبريدج بالمملكة المتحدة: “لقد كان الأمر لغزًا”.

يتكون نظام الساعة الرئيسية بشكل حصري تقريبًا من الخلايا العصبية التي تطلق الناقل العصبي المثبط GABA، ولا يمكن لأحد أن يرى كيف يمكن لنظام لا يفعل شيئًا على ما يبدو سوى قمع نشاط الخلايا العصبية أن يخلق دورة يومية. تحتاج الساعات البيولوجية إلى آلية تغذية مرتدة حتى تتمكن من توليد دورات إيقاعية بشكل مستقل، دون الحاجة إلى إشارة خارجية كل يوم لإعادة تشغيلها.

قبل عشر سنوات، قرأ ماركو برانكاتشيو، باحث ما بعد الدكتوراه الذي يعمل مع هاستينجز، عن كاشف الغلوتامات – وهو مسبار فلورسنت يسمى “Glue Sniffer”، أو iGluSnFR. اقترح برانكاتشيو استخدام الكاشف لشم أي غلوتامات قد تكون موجودة في شرائح دماغ الفأر التي كان الفريق يدرسها.

يتذكر هاستينغز قائلاً: “لقد أخبرت ماركو أن ذلك سيكون مضيعة للوقت، لأنه لن يكون هناك أي شيء”. “لحسن الحظ أنه تجاهلني.”

وجد برانكاتشيو، الذي يعمل الآن في إمبريال كوليدج لندن، الكثير من الغلوتامات – ولدهشة عامة، وجد أن مستوياتها كانت إيقاعية مثل مستويات GABA. ولكن في حين أن مستويات GABA كانت أعلى خلال النهار، فإن مستويات الغلوتامات بلغت ذروتها في الليل⁴.

“لقد خدشنا رؤوسنا. من أين يمكن أن يأتي هذا الغلوتامات؟” يقول هاستينغز. لم يستغرق الأمر وقتًا طويلاً ليكتشفوا من خلال البحث الأدبي أن المصدر لا بد أن يكون خلايا نجمية، وهو نوع من الخلايا لم يفكروا فيه كثيرًا من قبل.

وقد وضع هذا الباحثين في سلسلة من التجارب الأكثر تعقيدًا. وخلصوا في النهاية إلى أن الخلايا النجمية تدعم ساعة SCN عن طريق تشغيل أنظمة امتصاص GABA نهارًا وإيقاف تشغيلها ليلًا.^4,5.

ومن المثير للاهتمام بشكل خاص الدراسات التي تكشف كيف تدعم الخلايا النجمية العديد من التفاصيل الدقيقة للتعلم والتعلم ذاكرة. في واحدة من تجاربها الرئيسية الأولى مع الأدوات الجديدة، اندهشت جوشين وفريقها عندما اكتشفوا كيف تقوم الخلايا النجمية في أدمغة الفئران بتشفير المعلومات حول الموقع المكاني للمكافآت. ووجد العلماء أنه عندما تعلم الفأر بالفعل مكان العثور على مكافأة الماء، زاد نشاط الكالسيوم في الخلايا النجمية تدريجيًا مع اقترابه من المكافأة. لكن الباحثين لم يقيسوا أي زيادة عندما تحرك الفأر نحو نفس المكافأة في بيئة جديدة⁶. يثير هذا الاكتشاف أسئلة مثيرة للاهتمام حول كيفية مشاركة الخلايا النجمية في تشفير الذاكرة المكانية.

في وقت سابق من هذا العام، أفادت مجموعات في اليابان والولايات المتحدة أن الخلايا النجمية تساعد في استقرار واسترجاع الذكريات التي يحفزها الخوف.^7,8. نظرًا لأن إشارات الخلايا النجمية أبطأ بكثير من الإشارات الكهربائية للخلايا العصبية، والتي تتطور أحيانًا على مدار ساعات، أو حتى أيام، بدلًا من أجزاء من الثانية، فإنها مناسبة تمامًا لسد الفجوة الزمنية بين التعلم والتذكر، كما يقول عالم الأعصاب جون ناجاي، من مركز RIKEN لعلوم الدماغ في واكو باليابان، والذي قاد إحدى الدراسات. “فكر فيها ككاميرا الدماغ ذات التعريض الطويل: فهي تلتقط أثر الأحداث ذات المغزى التي قد تتلاشى بسرعة كبيرة.”

ونظرًا لأن الخلايا العصبية والخلايا النجمية تعمل معًا لمعالجة المعلومات، فقد بدأ الباحثون يتساءلون عما إذا كانت الخلايا النجمية تؤدي إلى تفاقم الأمراض التي تعتبر عمومًا عصبية أو تؤدي إلى تفاقمها.