همه دستگاه های ذخیره سازی حافظه، از مغز گرفته تا رم رایانه، اطلاعات را با تغییر کیفیت فیزیکی خود ذخیره می کنند. بیش از 130 سال پیش، سانتیاگو رامون ای کاهال، عصب‌شناس پیشگام، برای اولین بار پیشنهاد کرد که مغز اطلاعات را با تنظیم مجدد اتصالات یا سیناپس‌ها بین نورون‌ها ذخیره می‌کند.
از آن زمان به بعد، دانشمندان علوم اعصاب تلاش کردند تا تغییرات فیزیکی مرتبط با شکل گیری حافظه را درک کنند؛ اما تجسم و نقشه برداری از سیناپس ها چالش برانگیز است. برای نمونه، سیناپس ها بسیار کوچک و محکم در کنار هم هستند. آنها تقریباً 10 میلیارد بار کوچکتر از کوچکترین جسمی هستند که یک MRI بالینی استاندارد می تواند تجسم کند. علاوه بر این، تقریباً 1 میلیارد سیناپس در مغز موش وجود دارد که محققان اغلب برای مطالعه عملکرد مغز از آنها استفاده می‌کنند و همه آنها همان رنگ مات تا شفاف هستند که بافت اطراف آنها را احاطه کرده است.
با این حال، یک روش تصویربرداری جدید من و همکارانم به ما امکان می دهد سیناپس ها را در طول شکل گیری حافظه، نقشه برداری کنیم. ما دریافتیم که فرآیند شکل‌گیری حافظه جدید، نحوه اتصال سلول‌های مغزی به یکدیگر را تغییر می‌دهد. در حالی که برخی از مناطق مغز ارتباط های بیشتری ایجاد می کنند، برخی دیگر آنها را از دست می دهند.
نقشه برداری از حافظه های جدید در ماهی
پیش از این، محققان بر روی ثبت سیگنال های الکتریکی تولید شده توسط نورون ها تمرکز داشتند. در حالی که این مطالعات تأیید کرده‌اند که نورون‌ها پس از شکل‌گیری حافظه، پاسخ خود را به محرک‌های خاص تغییر می‌دهند، اما نمی‌توانستند مشخص کنند که چه چیزی باعث این تغییرات می‌شود.
برای مطالعه چگونگی تغییر فیزیکی مغز هنگام تشکیل یک حافظه جدید، نقشه‌های سه بعدی از سیناپس‌های گورخرماهی قبل و بعد از تشکیل حافظه ایجاد کردیم. ما گورخرماهی را به‌عنوان آزمودنی‌های خود انتخاب کردیم، زیرا آنها به اندازه‌ای بزرگ هستند که مغزهایی مانند مغز انسان‌ها داشته باشند، اما به اندازه‌ای کوچک و شفاف هستند که پنجره‌ای به مغز زنده ارائه دهند.
برای القای حافظه جدید در ماهی، از نوعی فرآیند یادگیری به نام شرطی سازی کلاسیک استفاده کردیم. این امر شامل قرار دادن حیوان در معرض دو نوع محرک مختلف به طور همزمان است: یک محرک خنثی که واکنشی را تحریک نمی کند و دیگری محرکی ناخوشایند که حیوان سعی می کند از آن اجتناب کند. هنگامی که این دو محرک به اندازه کافی با هم جفت شوند، حیوان به محرک خنثی به گونه ای پاسخ می دهد که گویی این محرک ناخوشایند است و نشان می دهد که با گره زدن این محرک ها به یکدیگر خاطره ای تداعی گرا ایجاد کرده است.
به عنوان یک محرک ناخوشایند، سر ماهی را به آرامی با لیزر مادون قرمز گرم کردیم. وقتی ماهی دمش را تکان داد، ما آن را به عنوان نشانه ای در نظر گرفتیم که می خواهد فرار کند. هنگامی که ماهی در معرض یک محرک خنثی قرار می گیرد، مثلا روشن شدن نور، تکان دادن دم به این معنی است که ماهی به یاد می آورد که قبلاً وقتی با محرک ناخوشایند مواجه شده بود، چه اتفاقی افتاده است.
برای ایجاد نقشه‌ها، گورخرماهی را با نورون‌هایی که پروتئین‌های فلورسنت تولید می‌کنند که به سیناپس‌ها متصل می‌شوند و آنها را قابل مشاهده می‌کنند، مهندسی ژنتیکی کردیم. سپس با یک میکروسکوپ سفارشی که از دوز بسیار کمتری از نور لیزر نسبت به دستگاه‌های استانداردی که از فلورسانس نیز برای تولید تصاویر استفاده می‌کنند، از سیناپس‌ها تصویربرداری کردیم. از آنجایی که میکروسکوپ ما آسیب کمتری به نورون ها وارد کرد، توانستیم سیناپس ها را بدون از دست دادن ساختار و عملکردشان تصویربرداری کنیم.
با کمال تعجب، تغییرات در قدرت اتصالات موجود بین نورون ها که با شکل گیری حافظه رخ داد، اندک بود و از تغییرات در ماهی های کنترل که خاطرات جدیدی را تشکیل نمی دادند، قابل تشخیص نبود. همانطور که قبلاً تصور می شد، این بدان معنی است که تشکیل یک حافظه تداعی گرا شامل تشکیل و از دست دادن سیناپس است، اما نه لزوماً تغییر در قدرت سیناپس های موجود.
وقتی نقشه‌های سیناپس سه بعدی را قبل و بعد از تشکیل حافظه مقایسه کردیم، متوجه شدیم که نورون‌های یک ناحیه مغز، یعنی پالیوم پشتی قدامی، سیناپس‌های جدیدی ایجاد کردند در حالی که نورون‌ها عمدتاً در ناحیه دوم، یعنی پالیوم پشتی قدامی میانی، سیناپس‌ها را از دست دادند. این بدان معناست که نورون های جدید با هم جفت می شوند، در حالی که نورون های دیگر اتصالات خود را از بین می برند. آزمایش‌های قبلی نشان داده‌اند که پالیوم پشتی ماهی ممکن است شبیه آمیگدال پستانداران باشد، جایی که خاطرات ترس در آن ذخیره می‌شود.
اطلاعات بیشتر : ارزیابی حافظه
آیا حذف سیناپس ها می تواند خاطرات را از بین ببرد؟
روش جدید ما برای مشاهده عملکرد سلول های مغز می تواند نه تنها دری را برای درک عمیق تر از نحوه عملکرد حافظه باز کند بلکه راه های بالقوه برای درمان بیماری های عصبی-روانی مانند اختلال استرس پس ازسانحه و اعتیاد ایجاد کند.
خاطرات تداعی گرا معمولا بسیار قوی تر از انواع دیگر خاطرات هستند، مانند خاطرات آگاهانه درباره آنچه دیروز برای ناهار خورده اید؛ علاوه بر این تصور می‌شود که خاطرات تداعی گرای القا شده توسط شرطی‌سازی کلاسیک، مشابه خاطرات آسیب‌زا هستند که باعث اختلال استرس پس ازسانحه می‌شوند؛ در غیر این صورت محرک‌های بی‌ضرر مشابه آنچه که فرد در زمان آسیب تجربه کرده است، می‌تواند باعث یادآوری خاطرات دردناک شود؛ به عنوان مثال، یک نور روشن یا یک صدای بلند می تواند خاطرات جنگ را زنده کند. مطالعه ما نقشی را که ارتباط های سیناپسی ممکن است در حافظه بازی کند، نشان می‌دهد و می‌تواند توضیح دهد که چرا خاطرات تداعی گرا می‌توانند طولانی‌تر از سایر انواع خاطرات ماندگار شوند و واضح‌تر به خاطر سپرده شوند.
در حال حاضر رایج ترین درمان برای اختلال استرس پس ازسانحه، مواجهه درمانی که شامل قرار دادن مکرر بیمار در معرض یک محرک بی ضرر است اما محرک به منظور سرکوب یادآوری رویداد آسیب زا است. در تئوری، این امر به طور غیرمستقیم سیناپس های مغز را بازسازی می کند تا حافظه کمتر دردناک شود. اگرچه با مواجهه درمانی موفقیت هایی حاصل شده است، اما بیماران مستعد عود هستند. این نشان می دهد که حافظه زمینه ای که باعث پاسخ تروماتیک می شود حذف نشده است.
هنوز مشخص نیست که آیا تولید و از دست دادن سیناپس واقعاً باعث تشکیل حافظه می شود یا خیر. آزمایشگاه من یک فناوری توسعه داده است که می تواند به سرعت و با دقت سیناپس ها را بدون آسیب رساندن به نورون ها حذف کند. ما قصد داریم از روش‌های مشابهی برای حذف سیناپس‌ها در گورخرماهی یا موش‌ها استفاده کنیم تا ببینیم آیا این امر باعث تغییر خاطرات تداعی گرا می‌شود یا خیر.
ممکن است با این روش ها بتوان حافظه های تداعی گرایی را که زمینه ساز شرایط ویرانگری مانند اختلال استرس پس از سانحه و اعتیاد است، به صورت فیزیکی پاک کرد؛ با این حال، قبل از اینکه بتوان چنین درمانی را در نظر گرفت، تغییرات سیناپسی که حافظه‌های تداعی گرایی را رمزگذاری می‌کنند باید دقیق‌تر تعریف شوند؛ و بدیهی است که موانع اخلاقی و فنی جدی وجود دارد که باید برطرف شود؛ با وجود این، تصور آینده ای دور، وسوسه انگیز است که در آن جراحی سیناپسی می تواند خاطرات بد را حذف کند.
Dempsey, W. P., Du, Z., Nadtochiy, A., Smith, C. D., Czajkowski, K., Andreev, A., … & Arnold, D. B. (2022). Regional synapse gain and loss accompany memory formation in larval zebrafish. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(3).
