طبقه بندی نورون ‎های قشر مغز براساس شکل اسپایک و پتانسیل عمل و شناسایی نورون های هرمی

درحال حاضر بسیاری از محققان که ثبت ‎های خارج سلولی از جمعیت‎ های نورونی موجود در قشر مغز را انجام می‎ دهند، از پارامترهای پتانسیل عمل و به ویژه، از مدت زمان اسپایک به عنوان وسیله ‎ای برای طبقه بندی زیرگونه های نورونی مختلف استفاده می کنند اما تأیید اینکه کدام ویژگی های اسپایک به کدام نوع خاص از نورون های هرمی و اینترنورون ها تعلق دارد، دشوار است. درحالی که در روش های بافت شناسی جدید این مسئله  قابل تشخیص است. این مقاله بر شناسایی ایمپالس آنتی درومیک (antidromic) در آکسون سلول های هرمی، به ویژه نورون های مسیر هرمی (PTN) اشاره دارد که در آن هدایت تکانه عصبی خلاف جهت طبیعی است و از کاربردپذیری طبقه بندی براساس پهنای اسپایک خبر می دهد. مدت زمان اسپایک سرنخ هایی از تنوع عملکرد را در میان جمعیت نورون های هرمی فراهم می کند و همچنین تفاوت های مهم و موجود در میان گونه ها را برجسته می کند.  این مطالعه روش های الکتروفیزیولوژیک و آپتوژنتیک (optogenetic) بیشتری را پیشنهاد می کند که برای اعتبار بخشیدن به مدت زمان اسپایک (Spike duration) به عنوان وسیله ای برای طبقه بندی سلول های عصبی و ارتباط دادن آن با تفاوت های بافت شناسی شناخته شده در انواع سلول‎های موجود در نئوکورتکس (neocortical) مغز ضروری است.

امروزه به اثبات رسیده است که شناخت عملکرد مدارهای قشری مغز نه ‎تنها بر مستند سازی دقیق از فعالیت عصبی، بلکه بر شناسایی بهتر انواع سلول‎های عصبی که این فعالیت ها را سبب می شوند نیز متکی است. این روش ها به‎ طور مؤثر در مدل های مختلف جانوری که موش ‎ها و میمون های ماکاک را شامل می شوند، به کار گرفته می شود که همراه با ثبت های خارج سلولی به ‎وسیلۀ الکترود هایی هستند که سیگنال های چندگانه را حمل می کنند.

یکی از بزرگترین ایده ‎ها این است که شکل و فرم اسپایک خارج سلولی می ‎تواند به تشخیص انواع مختلف نورون ثبت‎ شده در این نوع مطالعات کمک کند. پژوهشگران اولیه که عمل ثبت خارج سلولی را در میمون بیدار انجام می دادند، ابتدا مطرح کردند که نورون های رابط (نورون های گلژی نوع دوم یا ستاره ای شکل) با میزان  فایرینگ (firing rates) خود به خودی بالا، پتانسیل عمل خفیفی در مدت زمان کوتاه ایجاد می کنند که می‎ تواند از نورون ‎های هرمی مفروض با اسپایک وسیع تر و نرخ فایرینگ پایین‎تر قابل تشخیص باشد. این تفاوت ‎ها متعاقباً از طریق بررسی های مفصل الکتروفیزیولوژیکی در بخش نئوکورتکس مغز جوندگان تأیید شدند. تحقیقات اولیه دیگری در رابطه با بخش نئوکورتکس مغز خرگوش صورت پذیرفت که از پاسخ ‎های آنتی درومیک نورون های هرمی و آکسون های آن ها در جسم پینه ای استفاده کرد تا آن ها را از انواع دیگر نورون ها یا همان نورون های رابط تشخیص دهد.

ویژگی های پهنای اسپایک یا پتانسیل عمل عصبی سپس توسط تعدادی از محققین به عنوان ابزار تشخیص نورون های رابط از نورون های هرمی در ثبت های خارج سلولی در قشر مغز میمون های ماکاک استفاده شد. در این مطالعات، مدت زمان اسپایک معمولاً از بخش پایین و منفی نمودار تا پیک مثبت ارزیابی می شد که قطبی شدن دوبارۀ نورون را نشان می داد.

پژوهش ‌های اخیر، اسپایک های مختلف موجی شکل و پارامترهای فایرینگ، که از ناحیۀ قشر مغز در لوب  پیش پیشانی (prefrontal) و بخش خلفی لوب آهیانه (posterior parietal cortex) ثبت می‎شوند را برای تشخیص انواع مختلف نورون استفاده می کنند. سپس نشان داده می شود که انواع نورون‎ها برحسب دینامیک پاسخ و کدگذاری اطلاعات با یکدیگر تفاوت دارند. انواعی از نورون ها که پتانسیل عمل مختصری را ایجاد می کنند به عنوان اینتر نورون های احتمالی درنظر گرفته می شوند و آن دسته از نورون‎ها که دارای اسپایک وسیع ‎تری هستند به عنوان نورون های هرمی احتمالی در نظر گرفته می شوند.

علی ‎رغم کاربرد های وسیع و به طور فزاینده روش ثبت خارج سلولی، مشخص شده است که ممکن است طبقه ‎بندی نادرست از نورون‎ های هرمی و اینترنورون ها رخ دهد، زیرا به عبارت ساده تر، همه اینتر نورون ها اسپایک مختصری را باعث نمی شوند و همه نورون‎ های هرمی اسپایک‎ های وسیع‎ تری ایجاد نمی ‎کنند، بنابراین طبقه ‎بندی که منحصراً بر اساس مدت زمان پتانسیل عمل می باشد، می تواند مشکل ساز باشد. شواهدی مستقیم حاصل از ثبت های خارج سلولی پتانسیل عمل در نورون‎ های میمون بیدار حاکی از آن است که در هر دو قشر حرکتی و پیش حرکتی مغز واقع در لوب پیشانی، نسبت قابل توجهی از نورون ‎های لایۀ هرمی داخلی یا V وجود دارد که قطعاً به عنوان نورون های هرمی شناسایی شده اند و پتانسیل عمل‎ های مختصر و کمی را سبب می ‎شوند.

تفاوت های مهم مختص گونه ‎ها (Species Differences) نباید نادیده گرفته شوند. برای مثال، در میمون های ماکاک و گروه نخستی سانان، یک جمعیت بزرگ از نورون های مسیر هرمی با آکسون های هدایت کننده سریع (fast conducting axons) با سرعت هدایت 80 متر بر ثانیه وجود دارد، درحالی که در جوندگان سریع ترین نورون هرمی دارای آکسونی با سرعت هدایت 20-18 متر بر ثانیه است. کاملاً مشخص و شناخته شده است که یکی از عوامل تعیین کننده برای قطبی ‎شدن مجدد سریع و پتانسیل عمل ‎های خفیف در اینترنورون های قشر مغز، وجود کانال‎ پتاسیم (k⁺) سریع Kv3.1b در غشای جسم سلولی آن ‎ها است. اینترنورون های میمون ‎های ماکاک در بخش قشر حرکتی اولیه یا  M1 بیان کننده کانال پتاسیم وابسته به ولتاژ سریعKv3.1b  هستند. در مقابل، نورون های هرمی موجود در قشر حرکتی جوندگان فاقد کانال های پتاسیمیKv3.1b  هستند.

این تفسیر تأیید کرده ‎است که تشخیص الکتروفیزیولوژیکی از طریق آزمایش ‎ها و تحریک‎ های آنتی‎درومیک امکان‎ پذیر بوده است و نتایج نشان داده‎ اند که شکل اسپایک یا پتانسیل ‎عمل به ‎تنهایی نمی‎تواند ابزاری قابل اطمینان و معتبر برای تمایز بخشیدن حداقل یک زیرگونه از نورون‎ های هرمی، نورون ‏های راه هرمی و نورون ‎های رابط را فراهم آورد. وجود تفاوت‎ های چشمگیر در بین میمون‎ های ماکاک و جوندگان در بیان ژن حداقل یک کانال پتاسیم غشایی در تعیین پهنای پتانسیل عمل کمک شایانی کرده است.

منبع

تهیه شده توسط

کارگروه مهندسی عصبی

شاخه دانشجویی نقشه برداری مغز ایران

مدیریت ترویج و آموزش

جستجو و ترجمۀ مقاله: حمیدرضا عبدالجباری (دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی عصبی-شناختی دانشگاه علم و صنعت ایران)

ویرایش متن: بهروز طهماسبی دهکردی، دبیر کارگروه مهندسی عصبی