وجدت دراسة اختلافًا ملفتًا للنظر بين خلايا الإنسان العصبية والخلايا العصبية للثدييات الأخرى – ترجمة عدنان أحمد الحاجي

Study finds a striking difference between neurons of humans and other mammals
(بقلم: آن ترافتون – Anne Trafton)
معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

تتواصل الخلايا العصبية مع بعضها البعض عبر نبضات كهربائية تنتجها قنوات أيونية تتحكم في تدفق أيونات كالبوتاسيوم والصوديوم. في اكتشاف جديد مذهل، أثبت باحثون في علم الأعصاب في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن لدى الخلايا العصبية البشرية عدد من هذه القنوات الأيونية أقل بكثير مما كان متوقعًا، مقارنةً بما للخلايا العصبية لدى الثدييات الأخرى.

يفترض الباحثون أن هذا الانخفاض في كثافة (عدد) القنوات الأيونية ربما ساعد الدماغ البشري على التطور ليعمل بشكل أكثر كفاءةً / فاعليةً، مما أتاح له تحويل الموارد عن وجهتها الأصلية إلى عمليات أخرى تتميز باستهلاكها الكثيف للطاقة التي يحتاجها لأداء المهام المعرفية / الإدراكية المعقدة / المتقدمة.

” إذا كان بإمكان الدماغ توفير الطاقة عن طريق خفض كثافة القنوات الأيونية، فيمكنه انفاق هذه الطاقة على عمليات عصبية أو دوائر أخرى” ، كما يقول مارك هارنيت (Mark Harnett)، الأستاذ المشارك في علوم الدماغ والإدراك، وعضو معهد ماكغفرن (McGovern) لأبحاث الدماغ التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وكبير مؤلفي الدراسة.

قام هارنيت وزملاؤه بتحليل الخلايا العصبية من 10 ثدييات مختلفة، وهذه الدراسة الكهروفيزيولوجية (electrophysiological) هي الأكثر استفاضةً من نوعها، وحدد الباحثون “خطة بناء / تصميم” تنطبق على كل الأنواع التي درسوها – باستثناء البشر. ووجدوا أنه كلما زاد حجم الخلايا العصبية [المترجم: يتراوح حجم جسم soma الخلية من 4 – 100 ميكرومتر في القطر، حسب 1] ، كلما ازدادت أيضًا كثافة / عدد  القنوات الموجودة في الخلايا العصبية.

ولكن ثبُت أن الخلايا العصبية البشرية استثناء لافت لهذه القاعدة.

“أثبتت الدراسات المقارنة السابقة أن الدماغ البشري مصمم كأدمغة الثدييات الأخرى، لذلك فوجئنا حين وجدنا اثباتًا قويًا على أن الخلايا العصبية البشرية مميزة”، كما يقول طالب الدراسات العليا السابق في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لاو بوليو لاروش (Lou Beaulieu-Laroche).

بوليو لاروش (Beaulieu-Laroche) هو المؤلف الرئيس للدراسة التي نشرت في مجلة نتشر (Nature) في 10 نوفمبر 2021 (انظر 2).

خطة البناء / التصميم

الخلايا العصبية في دماغ الثدييات يمكن أن تستقبل إشارات كهربائية من آلاف الخلايا الأخرى ، وهذه المُدخلات تحدد ما إذا كانت ستطلق نبضة كهربائية (fire) (تسمى جهد الفعل) أم لا. في عام 2018 ، اكتشف هارنت (Harnett) وبوليو لاروش أن الخلايا العصبية البشرية تختلف عن خلايا الفئران العصبية في بعض خصائصها الكهربائية، بشكل أساس في أجزاء من الخلايا العصبية تسمى التغصنات (dendrites) – التغصنات (3) هي هوائيات (أناتل antennap) شبيه بالأشجار تستقبل وتعالج المدخلات من الخلايا الأخرى (4).

كانت إحدى نتائج تلك الدراسة أن الخلايا العصبية البشرية لديها كثافة / عدد قنوات أيونية أقل من الخلايا العصبية في دماغ الفئران.  دُهش الباحثون بهذه المشاهدة، حيث كان يُفترض عمومًا أن تكون كثافة قنوات الأيونات ثابتة في كل الأنواع. في دراستهم الجديدة ، قرر هارنت (Harnett) و بوليو لاروش (Beaulieu-Laroche) مقارنة الخلايا العصبية من عدة أنواع مختلفة من الثدييات لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم العثور على أي أنماط تضبط تعبير [جينات] القنوات الأيونية.

درس الباحثون نوعين من قنوات البوتاسيوم المعتمدة على الجهد الكهربائي / الڤولتية (6) وقناة HCN (انظر 7)، التي تنقل (conducts) كلاً من البوتاسيوم والصوديوم ، في الخلايا العصبية الهرمية للطبقة الخامسة، وهي نوع من الخلايا العصبية المستثارة (excitatory) الموجودة في قشرة الدماغ.

لقد تمكن الباحثون من الحصول على أنسجة دماغية من 10 أنواع من الثدييات: الزبابات الأترورية (Etruscan shrews) (واحدة من أصغر الثدييات المعروفة) والجرابيع والفئران والجرذان وخنازير غينيا والقوارض والأرانب والمارموسيت (قرود القشة) وقرود المكاك وكذلك أنسجة بشرية أخذت من مرضى الصرع أثناء اجراء عملية جراحية في الدماغ. سمح هذا التنوع للباحثين بتغطية نطاق من سمكات (thicknesses) قشرية دماغية ومقاسات خلايا عصبية في جميع مملكة الثدييات.

وجد الباحثون أنه في كل أنواع الثدييات التي درسوها تقريبًا زادت كثافة / عدد القنوات الأيونية مع زيادة حجم / مقاس (size) الخلايا العصبية. الاستثناء الوحيد لهذا النسق / النمط كان في الخلايا العصبية البشرية، والتي كانت لديها كثافة / عدد القنوات الأيونية أقل بكثير مما كان متوقعًا.

الارتفاع في كثافة / عدد القنوات الأيونية في كل الأنواع كانت مذهلة ، لأنه كلما زاد عدد القنوات كلما زادت الطاقة المطلوبة لضخ الأيونات داخل وخارج الخلية. ولكن قد بدا الأمر منطقيًا بمجرد أن بدأ الباحثون في التفكير في عدد القنوات في الحجم (volume) الكلي للقشرة الدماغية، كما يقول.

في دماغ الزبابة الأترورية الصغير، المكدس بالخلايا العصبية الصغيرة جدًا، يوجد عدد من الخلايا العصبية في حجم (volume) أنسجة مفترض (given) أكبر مقارنةً بنفس حجم الأنسجة من دماغ الأرنب، الذي يحتوي على خلايا عصبية أكبر بكثير [من دماغ الزبابة الأترورية]. ولكن نظرًا لأن الخلايا العصبية في الأرانب لها كثافة / عدد من القنوات الأيونية أعلى ، فإن كثافة / عدد القنوات في حجم (volume) مفترض من الأنسجة هي نفسها في كلا النوعين، أو في أي من الأنواع غير البشرية التي حللها الباحثون.

“خطة البناء / التصميم هذه متسقة في تسعة أنواع مختلفة من الثدييات”، كما يقول هارنيت،  “ما يبدو أن القشرة تحاول القيام به هو ابقاء عدد القنوات الأيونية لكل وحدة حجم (volume) كما هي  في جميع الأنواع. وهذا يعني أنه بالنسبة لحجم مفترض من القشرة ، فإن تكلفة الطاقة هي نفسها، على الأقل بالنسبة للقنوات الأيونية”.

شاهد مقطع ڤيديو عن اكتشاف هارنت وزميله (4):

كفاءة / فعالية الطاقة

ومع ذلك، يمثل الدماغ البشري انحرافًا ملفتًا للنظر عن خطة البناء هذه. بدلاً من كثافة عدد القنوات الأيونية  المرتفعة، وجد الباحثون انخفاضًا درامتيكيًا في كثافة / عدد القنوات الأيونية المتوقعة لحجم مفترض من أنسجة الدماغ.

يعتقد الباحثون أن هذه الكثافة المنخفضة ربما تكون قد تطورت كوسيلة لاستهلاك طاقة أقل في ضخ الأيونات، مما يتيح للدماغ استخدام هذه الطاقة لشيء آخر، مثل استحداث روابط مشبكية أكثر تعقيدًا بين الخلايا العصبية أو إطلاق جهد فعل (fire) بمعدل أعلى.

“نعتقد أن البشر قد تطور من خطة البناء هذه التي كانت تضع قيودًا على حجم القشرة سابقًا، وتوصل البشر إلى طريقة ليصبح أكثر كفاءة / فاعلية من حيث الطاقة ، لذا فإن الشخص يستهلك أدونسين ثلاثي الفوسفات (ATP، انظر 8) أقل لكل وحدة حجم مقارنة بالأنواع الأخرى”.

مصادر من داخل وخارج النص:
1- https://ar.wikipedia.org/wiki/عصبون
2- https://www.nature.com/articles/s41586-021-04072-3
3- https://ar.wikipedia.org/wiki/زائدة_شجرية
4- https://news.mit.edu/2018/dendrites-explain-brains-computing-power-1018
5- https://news.mit.edu/2019/neurons-dendrite-role-computation-0606
6- https://en.wikipedia.org/wiki/Voltage-gated_ion_channel
7- https://en.wikipedia.org/wiki/HCN_channel
8- https://ar.wikipedia.org/wiki/أدينوسين_ثلاثي_الفوسفات

المصدر الرئيس:
https://news.mit.edu/2021/neurons-humans-mammals-1110