חוסר פעילות מתמשכת ספונטנית – מדענים מגלים סוג חדש של מצב זיכרון

מחקר UCLA Health מזהה מצב זיכרון חדש הנקרא חוסר פעילות מתמשכת ספונטנית.

חוקרי UCLA Health זיהו תהליך שמזכיר תוך הפחתת עלויות מטבוליות, אפילו בזמן שינה. הזיכרון היעיל הזה נמצא באזור מוח החיוני ללמידה ולזיכרון, וזה גם המקום שבו אלצהיימר מקור המחלה.

התגלית מתפרסמת בכתב העת תקשורת טבע.

האם זה נשמע מוכר: אתה הולך למטבח להביא משהו, אבל כשאתה מגיע לשם, אתה שוכח מה רצית. זהו זיכרון העבודה שלך שכשל. זיכרון עבודה מוגדר כזכור מידע מסוים לתקופה קצרה בזמן שאתה עושה דברים אחרים. אנו משתמשים בזיכרון עבודה כמעט כל הזמן. לחולי אלצהיימר ודמנציה יש ליקויים בזיכרון העבודה וזה מופיע גם בהפרעה קוגניטיבית קלה (MCI). מכאן שהוקדש מאמצים רבים להבנת המנגנונים שבאמצעותם הרשתות העצומות של נוירונים במוח יוצרות זיכרון עבודה.

תפקידה של הקורטקס האנטורינאלי

במהלך משימות זיכרון עבודה, השכבה החיצונית ביותר של המוח, המכונה ניאוקורטקס, שולחת מידע חושי לאזורים עמוקים יותר של המוח, כולל אזור מרכזי הנקרא קליפת המוח האנטורינאלית, שהוא חיוני ליצירת זיכרונות. נוירונים בקליפת המוח האנטורינאלית מראים מערך מורכב של תגובות, אשר תמהו מדענים במשך זמן רב והביאו לפרס נובל לרפואה לשנת 2014, אולם המנגנונים השולטים במורכבות זו אינם ידועים. הקורטקס האנטורינאלי הוא המקום שבו מתחילה להיווצר מחלת אלצהיימר.

"לכן זה קריטי להבין איזה סוג של קסם מתרחש ברשת הקורטיקו-אנטורינאלית, כאשר הניאוקורטקס מדבר אל הקורטקס האנטורינאלי מה שהופך אותו לזיכרון עבודה. זה יכול לספק אבחון מוקדם של מחלת אלצהיימר ודמנציה קשורה, ופגיעה קוגניטיבית קלה", אמר הסופר המקביל Mayank Mehta, נוירופיסיקאי וראש מרכז WM Keck לנוירופיזיקה והמרכז לפיזיקה של החיים ב- UCLA.

כדי לפצח את הבעיה הזו, מהטה ומשותפיו המציאו גישה חדשה: "מיקרוסקופ מתמטי".

בעולם הפיזיקה, נעשה שימוש נפוץ במודלים מתמטיים, מקפלר ועד ניוטון ואיינשטיין, כדי לחשוף דברים מדהימים שמעולם לא ראינו או אפילו דמיינו, כמו פעולתם הפנימית של חלקיקים תת-אטומיים והחלק הפנימי של חור שחור. מודלים מתמטיים משמשים גם במדעי המוח, אבל התחזיות שלהם לא נלקחות ברצינות כמו בפיזיקה. הסיבה היא שבפיזיקה, תחזיות של תיאוריות מתמטיות נבדקות כמותית, לא רק איכותית.

מבחנים ניסויים מדויקים כמותיים כאלה של תיאוריות מתמטיות מקובל להאמין שהם בלתי אפשריים בביולוגיה מכיוון שהמוח מורכב הרבה יותר מהעולם הפיזי. תיאוריות מתמטיות בפיזיקה הן פשוטות מאוד, וכוללות מעט מאוד פרמטרים חופשיים ומכאן מבחנים ניסיוניים מדויקים. לעומת זאת, למוח יש מיליארדי נוירונים וטריליוני קשרים, סיוט מתמטי, שלא לדבר על מיקרוסקופ מדויק ביותר.

פישוט מערכות מורכבות

"כדי להתמודד עם האתגר הבלתי אפשרי הזה של להמציא תיאוריה פשוטה שעדיין יכולה להסביר את הנתונים הניסיוניים של דינמיקת זיכרון in vivo בדיוק רב, שיערנו ששיח קורטיקו-אנטורינאלי, וקסם זיכרון, יתרחשו גם כשהנבדקים ישנים, או מורדם", אמר ד"ר קרישנה צ'ודהארי, המחבר הראשי של המחקר. "בדיוק כמו שמכונית מתנהגת כמו מכונית כשהיא במצב סרק או נסיעה במהירות של 70 קמ"ש."

חוקרי UCLA הניחו אז הנחה גדולה נוספת: הדינמיקה של קליפת המוח כולו ושל הקורטקס האנטורינאלי במהלך שינה או הרדמה יכולה להיתפס על ידי שני נוירונים בלבד. הנחות אלו הפחיתו את בעיית האינטראקציות של מיליארדי נוירונים לשני משתנים חופשיים בלבד – עוצמת הקלט מהניאוקורטקס לקורטקס האנטורינאלי וחוזק הקשרים החוזרים בתוך הקורטקס האנטורינאלי. זה אמנם הופך את הבעיה לניתנת לפתרון מתמטי, אבל זה מעלה את השאלה המתבקשת – האם זה נכון?

"אם נבדוק את התיאוריה שלנו באופן כמותי על נתונים in vivo, אז אלה רק משחקים מתמטיים מעניינים, לא הבנה מוצקה של קסם יצירת זיכרון", אמר מהטה.

המבחנים הניסויים המכריעים של תיאוריה זו דרשו ניסויים מתוחכמים של ד"ר תומס האן, מחבר שותף שכיום הוא פרופסור באוניברסיטת באזל ופסיכולוג קליני.

"קליפת המוח האנטורינאלית היא מעגל מסובך. כדי לבדוק את התיאוריה באמת, היינו צריכים טכניקות ניסוי שיכולות לא רק למדוד את הפעילות העצבית בדיוק רב, אלא גם לקבוע את הזהות האנטומית המדויקת של הנוירון", אמר האן.

האן וד"ר סוון ברבריץ', גם הם מחברים משותפים, מדדו את פוטנציאל הממברנה של נוירונים שזוהו מקליפת המוח האנטורינאלית in vivo, תוך שימוש בטכניקת מהדק תיקון של תא שלם ולאחר מכן השתמשו בטכניקות אנטומיות לזיהוי הנוירון. במקביל הם מדדו את פעילות הקורטקס הפריאטלי, חלק מהניאוקורטקס ששולח תשומות לקורטקס האנטורינאלי.

"תיאוריה מתמטית ונתוני in vivo מתוחכמים הם הכרחיים ומגניבים, אבל היינו צריכים להתמודד עם אתגר אחד נוסף – איך ממפים את התיאוריה הפשוטה הזו על נתונים עצביים מורכבים?" אמרה מהטה.

"זה דרש תקופה ממושכת של התפתחות, כדי ליצור 'מיקרוסקופ מתמטי' שיכול לחשוף ישירות את פעולתם הפנימית של נוירונים בזמן שהם יוצרים זיכרון", אמר צ'ודהרי. "ככל הידוע לנו, זה לא נעשה בעבר".

גילוי מצבי זיכרון חדשים

המחברים הבחינו שכמו גל אוקיינוס ​​שנוצר ואז מתרסק על קו החוף, האותות מהניאוקורטקס נעים בין מצבי הפעלה לכיבוי במרווחים בזמן שאדם או חיה ישנים. בינתיים, הקורטקס האנטורינאלי פעל כמו שחיין במים שיכול לנוע למעלה כאשר צורות הגל ואז למטה כאשר הוא נסוג. הנתונים הראו זאת והמודל תפס זאת גם כן. אבל באמצעות ההתאמה הפשוטה הזו, המודל לקח חיים משלו וגילה סוג חדש של מצב זיכרון המכונה חוסר פעילות מתמשכת ספונטנית, אמר מהטה.

"זה כאילו נכנס גל וקליפת המוח האנטורינאלית אמרה, 'אין גל! אני הולך לזכור שלאחרונה לא היה גל אז אני אתעלם מהגל הנוכחי הזה ולא אגיב בכלל'. זו חוסר פעילות מתמשך", אמר מהטה. "לחלופין, פעילות מתמשכת מתרחשת כאשר גל קליפת המוח נעלם, אך הנוירונים האנטוריניים זוכרים שהיה גל ממש לאחרונה, וממשיכים להתגלגל קדימה."

בעוד שתיאוריות רבות של זיכרון עבודה הראו נוכחות של פעילות מתמשכת, מה שמצאו המחברים, חוסר הפעילות המתמשך היה משהו שהמודל חזה ומעולם לא נראה קודם לכן.

"החלק המגניב בחוסר פעילות מתמשך הוא שהיא לא דורשת כמעט אנרגיה, בניגוד לפעילות מתמשכת, שדורשת הרבה אנרגיה", אמרה מהטה, "אפילו טוב יותר, השילוב של פעילות מתמשכת וחוסר פעילות יותר מכפיל את קיבולת הזיכרון תוך צמצום עלות האנרגיה המטבולית בחצי."

"כל זה נשמע טוב מכדי להיות אמיתי, אז באמת דחפנו את המיקרוסקופ המתמטי שלנו לקצה גבול היכולת, לתוך משטר שבו הוא לא תוכנן לעבוד", אמר ד"ר צ'ודהרי. "אם המיקרוסקופ היה נכון, הוא היה ממשיך לעבוד בצורה מושלמת גם במצבים חריגים."

"המיקרוסקופ המתמטי עשה תריסר תחזיות, לא רק לגבי אזורי מוח, אלא גם רבים אחרים במוח. להפתעתנו המוחלטת, המיקרוסקופ המתמטי עבד בכל פעם", המשיך מהטה. "התאמה כזו כמעט מושלמת בין התחזיות של תיאוריה מתמטית לניסויים היא חסרת תקדים במדעי המוח.

"המודל המתמטי הזה שמתאים בצורה מושלמת לניסויים הוא מיקרוסקופ חדש", המשיך מהטה. "זה חושף משהו שאף מיקרוסקופ קיים לא יכול היה לראות בלעדיו. לא משנה כמה נוירונים צילמתם, זה לא היה חושף שום דבר מזה.

"למעשה, חסרונות מטבוליים הם תכונה נפוצה של הפרעות זיכרון רבות", אמר מהטה. המעבדה של מהטה עוקבת כעת אחר העבודה הזו כדי להבין כיצד נוצר זיכרון עבודה מורכב, ומה משתבש בקליפת המוח האנטורינאלית במהלך מחלת אלצהיימר, דמנציה והפרעות זיכרון אחרות".