مقدمة في العلوم العصبية الخلوية والجزيئية

تتجذر جميع الاستجابات، بدءاً من أبسط المنعكسات وصولاً إلى أرقى التجارب العاطفية، في البنى الجزيئية والجينية والخلوية في الدماغ. وباعتباره أحد أحدث المجالات في علوم الأعصاب، يسخر علم الأعصاب الخلوي والجزيئي البيولوجيا الجزيئية لاستكشاف كيفية تأثير الجينات وجزيئات الإشارات والمورفولوجيا الخلوية على الجهاز العصبي

سيعرض هذا الفيديو اكتشافات بارزة في هذا المجال، ويتناول الأسئلة الرئيسية في أبحاث علم الأعصاب الخلوي والجزيئي، وأخيراً سيسلط الضوء على بعض الطرق البارزة التي يمكن تطبيقها للإجابة على تلك الأسئلة.

لنبدأ بإلقاء نظرة على الجذور العلمية لهذا المجال الحديث نسبيًا.

قبل ظهور التقنيات الجزيئية، كان علماء التشريح وعلماء بيولوجيا الخلية يهيمنون على التاريخ المبكر لعلوم الأعصاب.

ومع ذلك، في ثلاثينيات القرن العشرين، أدى تدفق الفيزيائيين والكيميائيين والمنظرين إلى صفوف علماء البيولوجيا إلى بدء الثورة الجزيئية، والتي توجت باكتشاف واتسون وكريك لبنية DNA وصياغة العقيدة المركزية، التي شرحت كيف يقوم DNA بتشفير البروتينات التي تعمل كـوحدات وظيفية للخلايا. ولأول مرة، تمكن علماء الأعصاب من استقصاء الدور الذي تلعبه جينات وبروتينات محددة في وظيفة الجهاز العصبي.

على سبيل المثال، في ستينيات القرن العشرين، تمكن سيمور بنزر من ربط التغيرات السلوكية في ذباب الفاكهة بطفرات جينية محددة، حيث حدد جينات رئيسية يتم التعبير عنها في العصبونات التي تتحكم في السلوك، مثل الحركة.

وفي الفترة الزمنية ذاتها، أثبت إريك كاندل أن العمليات المعقدة مثل التعلم لها أيضًا أساس جزيئي. وباستخدام الرخويات البحرية Aplysia، قام بتحليل مستخلصات الأنسجة العصبونية، وأشار إلى دور جزيء الإشارة داخل الخلوي cyclic AMP في مسار حيوي لعملية التعلم.

ثم في ثمانينيات القرن العشرين، كان أعضاء مختبر شوساكو نوما أول من قام باستنساخ جزيئات رئيسية في وظيفة العصبون، مثل قناة الصوديوم المعتمدة على الجهد. ومنذ ذلك الحين، ساهمت تحليلات النطاقات الوظيفية داخل هذه البروتينات الغشائية الكبيرة في تحسين فهمنا لكيفيةما يؤدي التحكم في حركات الأيونات إلى تحفيز العصبونات.

جاء اكتشاف مهم آخر في الآليات الجزيئية الكامنة وراء التواصل العصبوني في تسعينيات القرن العشرين، عندما اكتشف توماس سودهوف أن أيونات الكالسيوم تغير شكل البروتينات التي تثبت الحويصلات المليئة بالنواقل العصبية بغشاء الخلية، مما يفسر كيف تؤدي جهود الفعل إلى إطلاق الإشارات الكيميائية في الشق التشابكي بتوقيت دقيق.

من الفسيولوجيا العصبية إلى السلوك، ساهمت الاكتشافات في علوم الأعصاب الجزيئية في تحسين فهمنا للعديد من تخصصات علوم الأعصاب.

على الرغم من هذا التاريخ الحافل، لا يزال هناك الكثير لنتعلمه! دعونا نستعرض بعض الأسئلة التي يتم طرحها في المختبرات اليوم.

يركز أحد مجالات البحث على تحديد الجينات التي تؤثر على الوظيفة العصبونية. فعلى سبيل المثال، من المعروف أن تمددات النيوكليوتيدات في جينات معينة تشارك في عدة أمراض تتميز بتدهور مستمر في صحة العصبونات، مثل مرض Huntington.

وهناك مجموعة أخرى من الجينات قيد الدراسة تشفر عوامل النسخ: وهي بروتينات تنظم تعبير جينات محددة. إن تحديد أهداف DNA لعوامل النسخ الخاصة بالجهاز العصبي يمكن أن يمنحنا رؤية أفضل للبرنامج الجيني الذي يجعلنا نفكر.

وبدلاً من ذلك، قد يتساءل علماء الأعصاب عن كيفية تنظيم الجزيئات للسلوك العصبوني. فعلى سبيل المثال، قد يدرسون الآلية الجزيئية التي تنظم حركات الأيونات عبر الغشاء الخلوي، مما يؤدي إلى انتشار جهود الفعل. وقد منحتنا الأبحاث في هذا المجال مواد تخدير مثل lidocaine، الذي يغلق قنوات أيونية محددة ويوقف انتقال إشارات الألم إلى الدماغ.

أو بدلاً من ذلك، قد يفحص العلماء مواقع التفاعل بين العصبونات، والمعروفة باسم المشبك العصبي. وهنا، قد يتساءلون عن الجزيئات المشاركة في الحفاظ على سلامة المشبك العصبي، وكيف يمكن استعادة هذه الروابط في الحالات المرضية.

اللدونة العصبونية هي قدرة الجهاز العصبي على التكيف كيميائياً وفيزيائياً استجابةً للخبرة. تركز بعض الأبحاث في هذا المجال على التغيرات المورفولوجية المعتمدة على الخبرة في البنيات العصبونية المعقدة، المعروفة باسم التشجرات التغصنية، والتي تشكل مشابك عصبية عبر بنيات ديناميكية للغاية تسمى الأشواك التغصنية. بينما يهتم آخرون بكيفية قيام الخبرة بتعديل توزيع مستقبلات الناقلات العصبية على الأغشية المشبكية، مما قد يعزز قوة الإشارة في المشبك العصبي في ظاهرة تعرف باسم التقوية طويلة الأمد، أو LTP.

كما ترون، يتناول علماء الأعصاب الخلويون والجزيئيون علم الأحياء العصبي من منظور مجهري، لكن نطاق العمليات التي يدرسونها واسع للغاية.

بعد أن أصبحت على دراية ببعض الأسئلة المثيرة التي تُطرح في مختبرات العلوم العصبية الخلوية والجزيئية، دعنا نلقي نظرة على الأدوات المتاحة للإجابة عليها.

أولاً، للتحقق من التحكم الجيني في وظيفة العصبونات، يمتلك العلماء بعض التقنيات القوية جداً تحت تصرفهم. فعلى سبيل المثال، يمكن للمصفوفات الدقيقة (microarrays) قياس كمية تعبير عدد هائل من الجينات في وقت واحد. والمصفوفة الدقيقة هي عبارة عن سطح مثبت عليه عشرات الآلاف من قصاصات الحمض النووي أحادي السلسلة التي تعمل كـ "مسابير". حيث يُسمح للمادة الوراثية المستخرجة من العصبون بالارتباط بهذه المسابير، وتُستخدم علامات فلورية لتحديد التسلسلات الموجودة في العينة بدقة.

وبدلاً من ذلك، يستخدم تفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي أو في الوقت الحقيقي (real-time or quantitative PCR) أجهزة يمكنها قياس الكمية النسبية لنسخ محددة من mRNA بشكل غير مباشر عبر طريقة تعتمد على PCR. وهذا النهج مفيد للغاية للكشف عن مستويات تعبير جينات فردية.

وأخيراً وليس آخراً، تُعد تكنولوجيا نقل الجينات (transgenic technology) أداة مهمة لدراسة وظيفة الجينات في الجهاز العصبي. ومن خلال هذه الطريقة، يمكن للباحثين إنتاج حيوانات تم حذف أجزاء من جينوماتها، وهو ما يُعرف بـ "التعطيل الجيني" (knockouts)، أو إدراج جينات معدلة في شفرتها الوراثية، وهو ما يُعرف بـ "التحول الجيني" (transgenics). ويمكن تحليل أنسجة الجهاز العصبي من هذه الحيوانات بطرق متنوعة لتحديد كيف تؤثر التغيرات في التعبير الجيني على الوظيفة الخلوية.

ولدراسة التحكم الجزيئي في الإشارات العصبية، يفضل الباحثون غالباً دراسة أنسجة الدماغ خارج جسم الحيوان، إما في قطع نسيجية صغيرة أو في خلايا مفككة منماة in vitro تسمى مستنبتات عصبية أولية. وتتمثل إحدى مزايا هذا النظام المبسط في القدرة على التحكم بكفاءة في تعبير الجينات المستهدفة في الإشارات العصبية عن طريق ترنسفكشن (transfection). ويمكن بعد ذلك ملاحظة نتائج هذه التلاعبات الجينية من خلال تصور تموضع البروتين، أو تحليل مورفولوجيا الخلية، أو التسجيلات الكهروفسيولوجية.

وأخيراً، تتيح التطورات الهائلة في تكنولوجيا التصوير للعلماء دراسة اللدونة العصبية بطرق جديدة ومثيرة. على سبيل المثال، يمكن للباحثين استخدام مجهر الفوتونين (two-photon microscopy) لتصور الطبقات العميقة من الأنسجة الحية بتفاصيل دقيقة. وبعد إنشاء "نافذة" في الجمجمة، يمكن استخدام هذه التقنية لتصوير مورفولوجيا خلايا الدماغ قبل وبعد خضوع الحيوانات لتجربة ما، مما يسمح للباحثين برؤية كيف يبدو التعلم على المستوى العصبوني.

كما تُستخدم أدوات التصوير للتحقق من المكونات الجزيئية للجهاز العصبي في الأنسجة المحفوظة. وغالباً ما يُستخدم المجهر الفلوري بالاقتران مع الكيمياء النسيجية المناعية (immunohistochemistry)، حيث تُصبغ العينات بأجسام مضادة فلورية تحدد التموضع الخلوي لبروتينات محددة.

بعد مراجعة الأسئلة الهامة والأدوات المستخدمة للإجابة عنها، دعونا نلقي نظرة على بعض تطبيقات أبحاث العلوم العصبية الخلوية والجزيئية.

أولاً، من خلال تطبيق تقنيات المصفوفات الدقيقة (microarray) على مجموعة صغيرة من العصبونات، يمكن للباحثين فحص الاختلافات في تعبير الجينات المختلفة في أنواع فرعية محددة من العصبونات. هنا، تم عزل عصبونات مفردة من الشبكية واستخلاص الـ RNA الخلوي، مما سمح للباحثين بتحديد نمط تعبير الـ mRNAs من خلايا ذات خصائص وظيفية ومورفولوجية مختلفة.

يمكن أيضاً تطبيق التقنيات الجزيئية لفهم استجابة الجهاز العصبي للإصابة بشكل أفضل. فعند إزالة عقيدات الجذر الظهري (dorsal root ganglia)، أو DRGs، من الفئران البالغة لغرض الزرع العصبي الأولي، يتم قطع المحاور العصبية بالضرورة. ومن خلال تعداء (transfecting) عصبونات DRG المفككة ببناءات لإسكات الجينات، يمكن اختبار تأثير البروتينات الفردية على إعادة نمو محاور عصبية جديدة.

يمكن استخدام تقنيات تصوير متخصصة لدراسة كيفية نقل البروتينات، مثل مستقبلات الناقلات العصبية، من وإلى الغشاء المشبكي. في هذه التجربة، تم تعداء عصبونات مستزرعة بجين يشفر بروتيناً غشائياً موسوماً بفلوروفور. وباستخدام مجهر بؤري (confocal microscope)، تم تبييض مناطق صغيرة من الغشاء ضوئياً، مما يعني تدمير الفلوروفورات في تلك المنطقة. وباستخدام مخطط التبييض المتبع هنا، فإن الاستعادة التدريجية للفلورة، أو ما يعرف بـ FRAP، تعكس نقل بروتينات فلورية جديدة إلى الغشاء البلازمي. ويمكن قياس معدل حدوث هذه الحركة ومقارنتها عبر العديد من الظروف التجريبية.

لقد شاهدتم للتو مقدمة JoVE حول العلوم العصبية الخلوية والجزيئية. ناقشنا في هذا الفيديو الاكتشافات التاريخية التي جعلت من العلوم العصبية الخلوية والجزيئية المجال الذي هي عليه اليوم، وبعض الأسئلة الرئيسية في هذا المجال، والتقنيات المستخدمة للإجابة عليها.

وكما هو الحال دائماً، شكراً لمشاهدتكم JoVE Science Education!