ایرادی در ابررایانه

مغز شما پیشرفته‌ترین ابررایانه جهان است. اما در بیماری هانتینگتون (HD)، یکی از پردازنده‌های اصلی این «رایانه» شروع به اختلال می‌کند. یک گروه پژوهشی در UCLA با استفاده از روش‌های تصویربرداری پیشرفته، با دقت بررسی کرده است تا مدارهای مشخصی را که در بخش‌های مغزیِ بیشترین تأثیرپذیرفته از HD از کنترل خارج می‌شوند شناسایی و مشاهده‌پذیر کند ــ و اینکه بیماری چگونه باعث می‌شود این مدارها متفاوت به نظر برسند. آن‌ها دریافتند مدارهای مشخصِ یک ناحیه مرکزی مغز (جسم مخطط) که در HD درگیر می‌شوند و «نورون‌های خاردار متوسط» نام دارند، اتصال‌های کمتری دارند و به اندازه‌ای که باید خاردار نیستند.

پیچیده‌ترین رایانه جهان

پیچیده‌ترین رایانه جهان از ریزتراشه‌ها ساخته نشده است ــ درست داخل سر شما قرار دارد. هرچند سریع‌ترین ابررایانه‌ها از نظر توان محاسباتی خام با مغز انسان رقابت می‌کنند، هیچ چیز با انعطاف‌پذیری و کارایی شگفت‌انگیز مغز شما برابری نمی‌کند.

برای اینکه فقط یک تصویر کلی داشته باشید، قدرتمندترین ابررایانه فعلی که در کالیفرنیا «ال کاپیتان» نام دارد، تجهیزات پیشرفته را در فضایی به اندازه دو زمین تنیس جا داده و انرژیِ یک شهر کوچک را مصرف می‌کند. مغز تنها حدود اندازه یک گریپ‌فروت است و با انرژیِ یک لامپ کم‌نور کار می‌کند، اما به طرز شگفت‌انگیزی همان ظرفیت محاسباتی را به دست می‌آورد. تازه، ال کاپیتان نمی‌تواند برقصد، آواز بخواند، توپ بگیرد یا بی‌شمار کار شگفت‌انگیز دیگری را انجام دهد که مغز شما قادر به انجام آن‌هاست!

واضح است که ارزش دارد بفهمیم این رایانه شگفت‌انگیز درون سر شما چگونه کار می‌کند و همچنین در HD چگونه دچار اختلال می‌شود. پس کدام بخش از این رایانه در HD آسیب می‌بیند و چگونه می‌توانیم بفهمیم چه چیزی درست پیش نمی‌رود؟ یک گروه پژوهشی پیشرو در UCLA برای پاسخ به این پرسش‌ها از رویکردهای خلاقانه‌ای استفاده کرده است.

اختلال محاسباتی مرکزی در HD

مغز دقیقاً شبیه رایانه‌ای ساخته‌شده از ریزتراشه‌ها نیست، اما شباهت‌هایی وجود دارد. برای مثال، مغز اطلاعات را از طریق ورودی‌ها و خروجی‌ها پردازش می‌کند. این پردازش با استفاده از سلول‌های تخصصی‌ای به نام نورون انجام می‌شود که تا حدی مانند مدارهای یک ریزتراشه عمل می‌کنند. و مانند یک رایانه، مغز به بخش‌های مختلفی سازمان‌دهی شده است که هرکدام چیزهای متفاوتی را پردازش می‌کنند.

مغز دارای ۸۶ میلیارد نورون و به همان تعداد سلول پشتیبان است؛ که در مجموع تقریباً به اندازه تعداد ستاره‌های کهکشان راه شیری است. مقیاسِ کارهایی که مغز شما با این همه سلول مغزی می‌تواند انجام دهد واقعاً حیرت‌انگیز است. ال کاپیتان حتی نزدیکش هم نمی‌شود.

یکی از مهم‌ترین بخش‌های این رایانه شگفت‌انگیز ما، ناحیه‌ای مرکزی از مغز به نام جسم مخطط است که خود به هسته دمی و پوتامن تقسیم می‌شود.

می‌توانید جسم مخطط را مانند ایستگاه مرکزی گرند سنترال برای بسیاری از فرایندهای مغزی تصور کنید ــ جایی که مدارهای زیادی به آن متصل می‌شوند. جسم مخطط یکی از بخش‌های مغز است که در HD بیشترین آسیب را می‌بیند؛ به همین دلیل علائم HD می‌تواند بسیار متنوع باشد، از جمله حرکات غیرارادی، مشکلات خلقی و دشواری در فکر کردن. بنابراین برای درک HD باید جسم مخطط را درک کنید.

در HD نوع ویژه‌ای از مدار آسیب می‌بیند

برخی بخش‌های مغز ده‌ها و ده‌ها نوع متفاوت نورون دارند، اما خوشبختانه نورون‌های موجود در جسم مخطط به اندازه سایر بخش‌های مغز متنوع نیستند. این موضوع فهم جسم مخطط را کمی آسان‌تر می‌کند.

می‌توانید جسم مخطط را مانند یک خوشه پردازشی در رایانه خود تصور کنید، با مدارهای فراوانی که شبیه هم هستند. این مدارها در جسم مخطط نورون‌های خاردار متوسط نام دارند و بیشتر نورون‌های موجود در آنجا را تشکیل می‌دهند. «نورون خاردار متوسط» شاید نامی ساختگی به نظر برسد، اما واقعاً همان چیزی است که دانشمندان به آن‌ها می‌گویند، چون ظاهرشان همین‌طور است! اندازه‌شان متوسط است و بسیار خاردارند. شاید آن‌ها را با نام کوتاه MSNs هم دیده باشید.

چرا نورون‌های خاردار متوسط این‌قدر خاردارند؟ چون هر نورون خاردار متوسط از بسیاری از نورون‌های دیگر در مغز سیگنال دریافت می‌کند و هرکدام از این ورودی‌ها از طریق یک خار کوچک که از نورون خاردار متوسط بیرون زده وارد می‌شود. نورون‌های خاردار متوسط ورودی‌های زیادی دارند، پس خارهای زیادی هم دارند. یادتان هست؟ ایستگاه مرکزی گرند سنترال برای مغز.

نورون‌های خاردار متوسط آشکارا بسیار مهم‌اند، اما دقیقاً نمی‌دانیم هرکدام به‌طور جداگانه چگونه به بقیه مغز متصل هستند؛ فقط می‌دانیم ورودی‌های زیادی دارند. این نورون‌های خاردار متوسط هستند که به‌ویژه در HD آسیب‌پذیرند؛ و دانشمندان فکر می‌کنند همین موضوع باعث اختلال عملکرد جسم مخطط و بروز علائم HD می‌شود.

نقشه‌برداری سه‌بعدی از مدارها

شگفت‌آور است، اما به‌جز اینکه خاردار هستند، پژوهش بسیار کمی درباره اینکه نورون‌های خاردار متوسط دقیقاً چه شکلی دارند انجام شده است. آیا همه آن‌ها شبیه هم هستند؟ وقتی در HD آسیب می‌بینند چه شکلی می‌شوند؟ یک گروه پژوهشی شناخته‌شده در UCLA به سرپرستی دکتر ایکس. ویلیام یانگ تصمیم گرفت نقشه‌ای از ظاهر نورون‌های خاردار متوسط در مغز تهیه کند و ببیند در HD چه بر سرشان می‌آید.

برای این کار، گروه نورون‌های خاردار متوسط را طوری برچسب‌گذاری کرد که زیر میکروسکوپ بدرخشند و همچنین هر خار را ــ که خارهای دندریتی نام دارند، یا به‌طور ساده دندریت‌ها ــ برچسب‌گذاری کرد. آن‌ها نمی‌توانستند این برچسب‌گذاری را در مغز انسان انجام دهند، بنابراین این کار را در مغز موش‌هایی انجام دادند که آن‌ها هم جسم مخطط دارند. پس از برچسب‌گذاری نورون‌های خاردار متوسط و خارهایشان (دندریت‌ها)، جسم مخطط را به برش‌هایی تقسیم کردند و از هر برش تصاویر دقیق گرفتند تا ببینند نورون‌های خاردار متوسط چه شکلی هستند.

این کار تا حدی شبیه برش دادن یک قالب ژله متراکم است که میوه‌های کوچک درونش پراکنده شده‌اند، تا بتوانید میوه‌ها را راحت‌تر ببینید. این کار به پژوهشگران اجازه داد ظاهر نورون‌های خاردار متوسط را در هر برش به‌صورت سه‌بعدی ببینند. قابل توجه است که این نخستین بار است که کسی نورون‌های خاردار متوسط را به این شکل بررسی می‌کند! پس چه دیدند؟

همه مدارها شبیه هم نیستند

جسم مخطط در واقع به خوشه‌های پردازشی بیشتری هم تقسیم می‌شود، هرچند همه آن‌ها نورون‌های خاردار متوسطی دارند که در HD آسیب می‌بینند. بنابراین پژوهشگران تصمیم گرفتند ظاهر نورون‌های خاردار متوسط را در این خوشه‌های مختلف ارزیابی کنند.

آن‌ها انواع متغیرها را درباره نورون‌های خاردار متوسط اندازه‌گیری کردند؛ مثل اینکه چند خار دارند، طولشان چقدر است و خارها با چه بسامدی به خارهای کوچک‌تر منشعب می‌شوند. این کار کمی شبیه نگاه کردن به مدارهای یک بخش مشخص از رایانه و بررسی طول هر مدار و مسیر حرکت آن است.

جالب اینکه نورون‌های خاردار متوسط در بخش‌های مختلف جسم مخطط کمی متفاوت به نظر می‌رسند. در برخی بخش‌ها خارها از بخش‌های دیگر بلندترند و در بخش‌های دیگر کوتاه‌تر. در بعضی بخش‌ها خارها بیشترند و در برخی بخش‌ها منشعب‌ترند. روشن است که درباره نحوه سیم‌کشی این نورون‌های خاردار متوسط در جسم مخطط، بسیار بیش از آنچه پیش‌تر می‌دانستیم در جریان است.

در HD، اتصال‌های مداری کمتر از حد انتظار

نورون‌های خاردار متوسطِ جسم مخطط به‌ویژه در HD آسیب‌پذیرند و خیلی زود در روند بیماری شروع به اختلال و ناپدید شدن می‌کنند. پس دانشمندان درباره شکل و ظاهر این مدارهای مختلف نورون خاردار متوسط در HD چه مشاهده کردند؟

برای بررسی این موضوع، همان برچسب‌گذاری، برش‌دادن مغز و تصویربرداری میکروسکوپی را انجام دادند، اما این بار در موشی که مدل HD با تکرار CAG گسترش‌یافته است. جالب اینکه نورون‌های خاردار متوسط در موش‌های HD پیچیدگی کمتری داشتند و شاخه‌هایشان کمتر بود.

این یافته نشان می‌دهد که در HD ممکن است اتصال‌های مداری بین نورون‌های خاردار متوسط و سایر بخش‌های مغز کمتر از حدی باشد که باید باشد. به بیان دیگر، اختلال عملکرد جسم مخطط در HD ممکن است به اتصال‌پذیری کمتر با بقیه مغز مربوط باشد؛ مانند هسته پردازشی‌ای که اتصال‌هایش را با سایر بخش‌های رایانه از دست می‌دهد.

درک اینکه نورون‌هایی که در HD آسیب می‌بینند چگونه اتصال‌های خود را با سایر بخش‌های مغز از دست می‌دهند، برای فهم اینکه چگونه می‌توان آن‌ها را ترمیم کرد یا از همان ابتدا جلوی اختلالشان را گرفت، حیاتی است. با مطالعات بیشتری از این دست، می‌توانیم در آینده راه‌های بهتری برای پایش و درمان علل HD توسعه دهیم.

خلاصه

• مغز شما پیچیده‌ترین رایانه جهان است
• HD باعث می‌شود بخش مشخصی از این رایانه، یعنی جسم مخطط، دچار اختلال شود
• به نظر می‌رسد مدارهای مشخصی در جسم مخطط، به نام نورون‌های خاردار متوسط، در HD از دست می‌روند
• این پژوهش نشان می‌دهد نورون‌های خاردار متوسط در بخش‌های مختلف جسم مخطط، از نظر ظاهر و اتصال‌ها کمی متفاوت‌اند
• به نظر می‌رسد نورون‌های خاردار متوسط در HD پیچیدگی کمتری دارند و اتصال‌هایشان کمتر است