تهیه کننده : امیر امیری نژاد
بررسی و توضیح ارتباطات بین مغز و روده
فناوری جدید مهندسان MIT می‌تواند مدارهای عصبی را که بر گرسنگی، خلق و خو و انواع بیماری‌ها تأثیر می‌گذارند، کاوش کند.
تصویر : این الیاف انعطاف پذیر که با حسگرها و منابع نوری تعبیه شده اند، می توانند برای دستکاری و نظارت بر اتصالات بین مغز و دستگاه گوارش استفاده شوند.
مغز و دستگاه گوارش در ارتباط دائمی هستند و سیگنال هایی را ارسال می کنند که به کنترل تغذیه و سایر رفتارها کمک می کند. این شبکه ارتباطی گسترده بر وضعیت روانی ما نیز تأثیر می گذارد و در بسیاری از اختلالات عصبی نقش دارد. مهندسان MIT فناوری جدیدی را برای بررسی این اتصالات طراحی کرده اند. محققان با استفاده از فیبرهای تعبیه شده با انواع حسگرها و همچنین منابع نوری برای تحریک اپتوژنتیک، نشان داده اند که می توانند مدارهای عصبی را که روده و مغز را به هم متصل می کنند، در موش ها کنترل کنند. در یک مطالعه جدید، محققان نشان دادند که می‌توانند با دستکاری سلول‌های روده، احساس سیری یا رفتار پاداش‌جویی را در موش‌ها ایجاد کنند. در کار آینده، آنها امیدوارند برخی از همبستگی هایی را که بین سلامت دستگاه گوارش و شرایط عصبی مانند اوتیسم و بیماری پارکینسون مشاهده شده است، بررسی کنند. نکته جالب اینجاست که ما اکنون فناوری داریم که می تواند عملکرد روده و رفتارهایی مانند تغذیه را هدایت کند. پولینا انیکیوا1 می‌گوید: مهم‌تر از آن، ما این توانایی را داریم که با دقت میلی‌ثانیه‌ای اپتوژنتیک، به تداخل بین روده و مغز دسترسی پیدا کنیم، و می‌توانیم این کار را در رفتار حیوانات انجام دهیم. استاد علوم مغز و شناختی، مدیر مرکز مغز و بدن کی لیزا یانگ2، معاون مدیر آزمایشگاه تحقیقات الکترونیک MIT، و عضو موسسه تحقیقات مغز مک گاورن، نویسنده ارشد این مطالعه جدید است که در Nature Biotechnology منتشر شده است.
ارتباط مغز و بدن
سال گذشته مؤسسه مک گاورن، مرکز مغز و بدن کی لیزا یانگ را راه اندازی کرد تا تعامل بین مغز و سایر اندام های بدن را بررسی کند. تحقیقات در این مرکز بر روشن کردن چگونگی کمک به این تعاملات به شکل‌گیری رفتار و سلامت کلی، با هدف توسعه درمان‌های آینده برای انواع بیماری‌ها متمرکز است. انیکیوا می‌گوید: میان بدن و مغز گفتگوی دوسویه و مداوم وجود دارد، برای مدت طولانی، ما فکر می کردیم که مغز یک ظالم است که خروجی را به اندام ها می فرستد و همه چیز را کنترل می کند. اما اکنون می دانیم که بازخوردهای زیادی به مغز باز می گردد، و این بازخورد به طور بالقوه برخی از عملکردهایی را که قبلا منحصراً به کنترل عصبی مرکزی نسبت داده بودیم، کنترل می کند. به عنوان بخشی از کار این مرکز، انیکیوا بررسی سیگنال هایی که بین مغز و سیستم عصبی روده (که سیستم عصبی روده نیز نامیده می شود) عبور می کند را شروع کرد. سلول های حسی در روده از طریق ارتباط عصبی و ترشح هورمون بر گرسنگی و سیری تأثیر می گذارند. رمز‌گشایی این اثرات هورمونی و عصبی دشوار بوده است، زیرا راه خوبی برای اندازه‌گیری سریع سیگنال‌های عصبی، که در عرض میلی‌ثانیه رخ می‌دهند، وجود نداشته است. برای اینکه بتوانیم اپتوژنتیک روده را انجام دهیم و سپس اثرات آن بر عملکرد و رفتار مغز را اندازه گیری کنیم، که به دقت میلی ثانیه ای نیاز دارد، به دستگاهی نیاز داشتیم که وجود نداشت. بنابراین، ما تصمیم گرفتیم آن را بسازیم. رابط الکترونیکی که محققان طراحی کردند از الیاف منعطف تشکیل شده است که می توانند عملکردهای مختلفی را انجام دهند و می توانند در اندام های مورد نظر وارد شوند. ساهاسرابودهه1 برای ایجاد این الیاف از تکنیکی به نام ترسیم حرارتی استفاده کرد که به او امکان ساخت رشته های پلیمری به ضخامت یک موی انسان را داد که می توانند با الکترودها و حسگرهای دما تعبیه شوند. این رشته‌ها همچنین دارای دستگاه‌های ساطع کننده نور هستند که می‌توانند برای تحریک اپتوژنتیکی سلول‌ها و کانال‌های میکروسیالی که می‌تواند برای رساندن دارو بکارگرفته شود استفاده می‌شوند. خواص مکانیکی الیاف را می توان برای استفاده در قسمت های مختلف بدن تنظیم کرد. برای مغز، محققان الیاف سفت‌تری ایجاد کردند که می‌توانستند تا عمق مغز کشیده شوند. برای اندام‌های گوارشی مانند روده، الیاف لاستیکی ظریف‌تری طراحی کردند که به پوشش اندام‌ها آسیب نمی‌رسانند، اما همچنان به اندازه‌ای محکم هستند که در برابر محیط خشن دستگاه گوارش مقاومت کنند. ساهاسرابودهه گفت: برای مطالعه تعامل بین مغز و بدن، لازم است فناوری هایی ایجاد شود که بتواند همزمان با اندام های مورد نظر و همچنین مغز ارتباط برقرار کند و سیگنال های فیزیولوژیکی را با نسبت سیگنال به نویز بالا ضبط کند. او می گوید ما همچنین باید بتوانیم به طور انتخابی انواع سلول های مختلف را در هر دو اندام در موش تحریک کنیم تا بتوانیم رفتار آنها را آزمایش کنیم و تحلیل های این مدارها را انجام دهیم. فیبرها همچنین به گونه ای طراحی شده اند که می توان آنها را به صورت بی سیم با استفاده از یک مدار کنترل خارجی که می تواند به طور موقت در طول آزمایش به حیوان متصل شود کنترل کرد.
محرک رفتار
با استفاده از این رابط، محققان مجموعه‌ای از آزمایش‌ها را انجام دادند تا نشان دهند که می‌توانند بر رفتار از طریق دستکاری روده و همچنین مغز تأثیر بگذارند. اول، آنها از الیاف برای ارائه تحریک اپتوژنتیک به بخشی از مغز به نام ناحیه تگمنتال شکمی1(VTA) استفاده کردند که دوپامین آزاد می کند. آنها موش ها را در قفسی با سه محفظه قرار دادند و زمانی که موش ها وارد یک محفظه خاص شدند، محققان نورون های دوپامین را فعال کردند. انفجار دوپامین در نتیجه باعث شد موش‌ها در جستجوی پاداش دوپامین به آن اتاق بازگردند. سپس، محققان سعی کردند ببینند که آیا می‌توانند با تأثیرگذاری بر روده، رفتار پاداش‌جویی را نیز القا کنند. برای انجام این کار، آنها از الیاف در روده برای آزاد کردن ساکارز استفاده کردند، که همچنین آزادسازی دوپامین در مغز را فعال کرد و حیوانات را وادار کرد تا محفظه ای را که در هنگام تحویل ساکارز در آن قرار داشتند، جستجو کنند. در مرحله بعد، محققان با همکاری همکاران دانشگاه دوک دریافتند که می‌توانند با حذف ساکارز و تحریک اپتوژنتیکی پایانه‌های عصبی در روده که هضم و سایر عملکردهای بدن را کنترل می‌کند، همان رفتار پاداش‌جویی را القا کنند. آنها دریافتند که این دستگاه ها می توانند سلول های تولید کننده کوله سیستوکینین2 را تحریک کنند (هورمونی که باعث سیری می شود). هنگامی که این ترشح هورمون فعال شد، اشتهای حیوانات هم سرکوب شد، حتی اگر چندین ساعت ناشتا بودند. محققان همچنین اثر مشابهی را نشان دادند هنگامی که سلول‌هایی را تحریک کردند که پپتیدی به نام PYY تولید می‌کنند، پپتیدی که معمولاً پس از مصرف غذاهای بسیار غنی اشتها را مهار می‌کند. اکنون محققان قصد دارند از این رابط برای مطالعه شرایط عصبی که بین ارتباط روده و مغز وجود دارند استفاده کنند. به عنوان مثال، مطالعات نشان داده اند که کودکان اوتیسمی3 به مراتب بیشتر از همسالان خود به اختلال عملکرد دستگاه گوارش مبتلا می شوند، در حالی که اضطراب و سندرم روده تحریک پذیر خطرات ژنتیکی مشترک دارند. اکنون می‌توانیم بپرسیم، آیا این تصادفی است یا ارتباطی بین روده و مغز وجود دارد؟ و شاید فرصتی برای ما وجود داشته باشد که از آن مدارهای روده و مغز بهره ببریم تا مدیریت برخی از این شرایط را با دستکاری مدارهای محیطی به گونه ای که کمتر تهاجمی باشد، آغاز کنیم.