کشف جدید مخچه، فرضیه چندین دهه‌ای کنترل حرکت مغز را باطل می‌کند

برای دهه‌ها، مطالعه اختلالات حرکتی ناتوان‌کننده مانند آتاکسی، دیستونی و ترمور اساسی، بر یک فرض بنیادی و عمدتاً بی‌چون و چرا در مورد نحوه عملکرد مرکز حرکت مغز استوار بود. مخچه، ساختاری متراکم واقع در پشت و پایین جمجمه که تقریباً ۸۰ درصد نورون‌های مغز را در خود جای داده است، مسئول هماهنگی حرکات ارادی عضلات، حفظ تعادل و تضمین وضعیت بدنی روان است. هنگامی که مدارهای عصبی پیچیده درون مخچه دچار اختلال می‌شوند، عدم هماهنگی حاصل می‌تواند زندگی روزمره بیمار را به شدت مختل کند و باعث لرزش‌های غیرقابل کنترل، انقباضات دردناک عضلانی یا ناتوانی در راه رفتن شود. برای درک علل ریشه‌ای این شرایط، متخصصان علوم اعصاب به طور سنتی توجه خود را بر رابطه بین دو نوع سلول مغزی خاص و بسیار تخصصی متمرکز کرده‌اند: سلول‌های پورکینجه در سطح و سلول‌های هسته‌های عمقی مخچه.

سلول‌های پورکینجه از جمله بزرگترین و چشمگیرترین نورون‌ها در مغز انسان هستند که با شاخه‌های دندریتی پیچیده و درخت‌مانند خود که برای دریافت سیگنال‌های ورودی گسترش می‌یابند، مشخص می‌شوند. این سلول‌ها که در لایه بیرونی سطح مخچه قرار دارند، به عنوان نیروی مهارکننده اصلی در مداربندی این ناحیه عمل می‌کنند. وظیفه اصلی آن‌ها ارسال سیگنال‌های شیمیایی است که به طور فعال شلیک سلول‌های هسته‌های عمقی مخچه را سرکوب می‌کند؛ هسته‌هایی که در عمق بیشتری از توده مغز قرار دارند. هسته‌های عمقی به عنوان مرکز خروجی اصلی مخچه عمل می‌کنند و فرمان‌های حرکتی نهایی و پالایش‌شده را به ساقه مغز و سایر سیستم‌های حرکتی بدن منتقل می‌کنند.[1][2]

به دلیل این اتصال آناتومیک مستقیم و یک‌طرفه، یک قانون خطی ساده به یک اصل پذیرفته‌شده در سراسر حوزه نوروفیزیولوژی تبدیل شد: اگر سلول‌های پورکینجه به سرعت شلیک کنند و بسیار فعال باشند، سلول‌های هسته‌های عمقی باید سرکوب شده و ساکت بمانند. برعکس، اگر سلول‌های پورکینجه غیرفعال باشند، سلول‌های هسته‌های عمقی باید به صورت نظری با نرخ سریع و بدون مهار شلیک کنند. این رابطه معکوس به عنوان یک قانون بنیادی مکانیک مخچه در نظر گرفته می‌شد که نحوه درک محققان از کنترل حرکتی سالم و همچنین شلیک‌های پاتولوژیک منجر به اختلالات حرکتی را هدایت می‌کرد.[2]

این فرض خطی برای محققان بسیار راحت بود و به سرعت به سنگ بنای مطالعات مخچه تبدیل شد. از آنجایی که سلول‌های پورکینجه در لایه بیرونی سطح مغز قرار دارند، نظارت، تحریک و ثبت فعالیت آن‌ها با استفاده از ابزارهای استاندارد الکتروفیزیولوژی و تکنیک‌های تصویربرداری نسبتاً آسان است. در مقابل، سلول‌های هسته‌های عمقی مخچه در عمق بافت متراکم دفن شده‌اند و دسترسی به آن‌ها بدون ایجاد آسیب ناخواسته به ساختار مغزی اطراف، به طور مشهوری دشوار است. در نتیجه، مشاهده مستقیم هسته‌های عمقی اغلب برای آزمایش‌های روتین، از نظر فنی بسیار دشوار تلقی می‌شد.

در نتیجه، فعالیت سلول پورکینجه به نماینده استاندارد—یک نشانگر زیستی مورد پذیرش گسترده—برای درک کل خروجی مخچه تبدیل شد. اگر محققی می‌خواست بداند که چگونه یک جهش ژنتیکی، یک حالت بیماری، یا یک داروی تجربی جدید بر هسته‌های عمقی تأثیر می‌گذارد، به سادگی سلول‌های پورکینجه قابل دسترس را اندازه‌گیری می‌کرد و نتایج را به صورت ریاضی معکوس می‌نمود. این روش نیابتی، طراحی آزمایش‌های پیش‌بالینی بی‌شماری را دیکته کرد و توسعه درمان‌هایی را شکل داد که هدفشان آرام کردن لرزش‌ها و اصلاح وضعیت بدنی بیماران مبتلا به اختلال عملکرد مخچه بود.[1][2]

با این حال، یک مطالعه مهم که در «ژورنال فیزیولوژی» (Journal of Physiology) منتشر شده است، این مدل چندین دهه‌ای را به طور کامل واژگون کرده و موجی از شوک را در جامعه علوم اعصاب ایجاد کرده است. محققان در مؤسسه تحقیقات زیست‌پزشکی فرالین در دانشگاه ویرجینیا تک (Virginia Tech) به طور قطعی نشان داده‌اند که در حالت‌های بیماری‌های عصبی، این رابطه خطی کاملاً از بین می‌رود. تیم تحقیقاتی به رهبری متخصص علوم اعصاب، مایک فن در هیدن (Meike van der Heijden) و آلیسا لیون (Alyssa Lyon)، دانشجوی دکترا، به دنبال آن بودند که به طور دقیق آزمایش کنند آیا سیگنال‌های سطحی واقعاً با واقعیت عمق مغز که رویکردهای بالینی را دیکته می‌کرد، مطابقت دارند یا خیر.[1]

تیم ویرجینیا تک به جای تکیه بر آزمایش‌های ایزوله و کوچک، روش‌های سنتی را کنار گذاشت و یک پایگاه داده گسترده و جامع از ثبت‌های الکتروفیزیولوژی را تجزیه و تحلیل کرد. این ثبت‌ها از طیف وسیعی از مدل‌های موش پیش‌بالینی جمع‌آوری شده بودند که بیماری‌های مختلف مخچه از جمله آتاکسی، دیستونی و ترمور را نشان می‌دادند. با بررسی هزاران نقطه داده که نرخ شلیک همزمان هر دو نوع سلول را در طول حالت‌های فعال بیماری ثبت کرده بودند، محققان توانستند رابطه واقعی بین مهارکننده‌های سطحی و نورون‌های خروجی عمقی را ترسیم کنند.[2]

داده‌ها نشان‌دهنده فقدان همبستگی تکان‌دهنده بین این دو نوع سلول در طول حالت‌های بیماری بود. فن در هیدن در انتشار مطالعه خاطرنشان کرد: «ما می‌بینیم که رابطه خطی واضحی بین فعالیت در سلول‌های پورکینجه و سلول‌های هسته‌های عمقی وجود ندارد.» او افزود: «بنابراین، قدرت پیش‌بینی بسیار محدودی در نظارت بر یکی برای درک آنچه در دیگری می‌گذرد، وجود دارد.» در اصل، سیگنال‌های سطحی که محققان برای دهه‌ها به آن‌ها تکیه کرده‌اند، در مورد آنچه واقعاً در عمق مدار کنترل حرکتی مغز اتفاق می‌افتد، دروغ می‌گویند.[2]

این فرض که خروجی مهارکننده بالا از سلول‌های پورکینجه به طور خودکار برابر با فعالیت کمتر در هسته‌های عمقی است، به سادگی زمانی که مغز دچار اختلالات حرکتی است، صادق نیست. در حالت بیماری، ساختار عصبی دستخوش تغییرات پیچیده‌ای می‌شود. سلول‌های پورکینجه ممکن است شلیک اشتباه داشته باشند، اتصالات نادرست برقرار کنند یا شروع به تخریب کنند، که اساساً نحوه دریافت و پردازش سیگنال‌های مهارکننده آن‌ها توسط هسته‌های عمقی را تغییر می‌دهد. سلول‌های عمقی نیز به نوبه خود ممکن است مکانیسم‌های جبرانی ایجاد کنند یا به ورودی‌های دیگری که قبلاً نادیده گرفته شده بودند، پاسخ دهند و پیوند خطی و تمیزی را که در مغز سالم وجود دارد، قطع کنند.[1][2]

فروپاشی این مدل خطی، یک سرخوردگی مداوم و پرهزینه در نورولوژی بالینی را توضیح می‌دهد: اینکه چرا برخی درمان‌های تجربی برای آتاکسی و ترمور، علی‌رغم نشان دادن پتانسیل بسیار زیاد در ثبت‌های سطحی مغز، در آزمایش‌های انسانی شکست می‌خورند. اگر یک مداخله درمانی—مانند یک داروی هدفمند یا یک تکنیک تحریک غیرتهاجمی مغز—به طور خاص برای تنظیم شلیک سلول پورکینجه با این انتظار طراحی شده باشد که خروجی هسته‌های عمقی را به طور قابل پیش‌بینی تغییر دهد، به احتمال زیاد به نتایج بالینی مورد نظر دست نخواهد یافت. سلول‌های هسته‌های عمقی ممکن است به متغیرهای کاملاً متفاوتی واکنش نشان دهند که نماینده سطحی قادر به ثبت آن‌ها نیست.[2]

لیون، نویسنده اول مطالعه، توضیح داد: «فعالیت سلول‌های پورکینجه و هسته‌های عمقی مخچه در حالت بیماری مختل می‌شود و درک بهتر از رابطه بین این انواع نورون‌ها در نهایت به بهینه‌سازی درمان بیماری‌هایی مانند دیستونی، آتاکسی و ترمور کمک خواهد کرد.» فن در هیدن افزود: «این یک داستان هشداردهنده برای درک فعالیت مخچه در بیماری، و همچنین برای درمان این بیماری‌های چالش‌برانگیز است»، و بر لزوم آزمایش فرضیه‌ها به جای تکیه بر مفروضات تاریخی تأکید کرد.

این کشف یک دستورالعمل واضح و فوری را به جامعه علوم اعصاب صادر می‌کند. برای رمزگشایی دقیق پاتولوژی این شرایط ناتوان‌کننده، محققان باید تمرکز خود را به ثبت‌های مستقیم الکتروفیزیولوژیکی نورون‌های هسته‌های عمقی تغییر دهند و اتکای خود به برون‌یابی از لایه سطحی را کنار بگذارند. اگرچه دسترسی به این سلول‌های عمقی همچنان از نظر فنی چالش‌برانگیز است، انتظار می‌رود این الزام، توسعه فناوری‌های عصبی جدید، مانند آرایه‌های میکروالکترود با چگالی بالا و تحریک عمقی مغز هدفمند را تسریع بخشد و حوزه پزشکی را به درمان‌های مؤثر و متحول‌کننده زندگی برای میلیون‌ها بیمار در سراسر جهان نزدیک‌تر کند.[1][2]