نظام إيثوران في الجسم

تتخذ الخلايا العصبية قرارات الحياة والموت اعتمادًا على موقع تلف الأعصاب. وكيف يحددون مكان الإصابة؟

في وقت لاحق سوف ننسى ذلك لأننا لسنا كذلك
ولكن عندما يأتي المساء
أقول لك ذلك بيننا
أقل ولكن لا تزال مؤلمة

على ما جرح فيَّ من جرحٍ ومثلج
لا أعتقد ذلك
تعلم كيف تتعايش معها بهذه الطريقة
أقل ولكن لا تزال مؤلمة.

"أقل لكنها مؤلمة"
كلمات: جوناثان جيفن
ألحان وأداء: يهودا بوليكار

ضربة في إصبع القدم، خدش في الركبة، حرق في اللسان - بغض النظر عن مكان الإصابة، النتيجة واحدة: الألم. لكن بالنسبة للخلايا العصبية، فإن الموضع الذي "تمتص" فيه الإصابة قد يكون مميتًا. المسافة بين مكان حدوث الإصابة وجسم الخلية العصبية - "مركز التحكم" للخلية الذي يتلقى المعلومات عن الإصابة ويقرر الاستجابة المناسبة - هي أحد العوامل التي تحدد ما إذا كانت الخلايا العصبية المتضررة ستتعافى أم لا. التعافي أو الموت. بمعنى آخر، يقوم مركز التحكم في الخلية العصبية بقياس المسافة بينها وبين موقع الإصابة - ولكن حتى الآن لم يكن من الواضح كيف يفعل ذلك.

البروفيسور مايكل (مايك) فينزلبر وباحث ما بعد الدكتوراه الدكتور نعمان كيم من قسم الكيمياء البيولوجية، والبروفيسور يتسحاق (تساحي) فلابيل من قسم الوراثة الجزيئية في معهد وايزمان للعلوم، يستخدمون أساليب الكمبيوتر والحسابات الرياضية النماذج بهدف اكتشاف الآلية التي تمكن من قياس المسافات.

الدكتور كام: "حتى اليوم، أي محاولة لوصف الآلية كانت بمثابة "طلقة في الظلام"، لأننا لا نملك بيانات كافية. في الدراسة الحالية، قمنا بدراسة العديد من الآليات الممكنة بهدف فهم أي منها هي التي لديها احتمال أكبر أن الطبيعة اختارتها، وتستخدمها. وهذه هي الطريقة التي نجهز بها البنية التحتية لأبحاث تجريبية أكثر تركيزًا."

في الخطوة الأولى، قام العلماء بفحص عدد من الآليات المحتملة، بناءً على البيانات المعروفة حول وسائل الاتصال داخل الخلايا العصبية. يمكن لهذه الخلايا إنشاء امتدادات يصل طولها إلى متر واحد (للمقارنة، لا يتجاوز طول الخلايا الأخرى بضع عشرات من الميكرونات). ولذلك، لكي تتمكن مثل هذه الخلية العصبية من نقل المعلومات من أحد طرفيها إلى الطرف الآخر، يجب عليها استخدام أساليب تسمح بنقل إشارات الاتصال عبر مسافات كبيرة. يفعلون ذلك من خلال مجموعة من الإشارات الكهربائية والوسطاء الكيميائيين التي تنتقل عبر بروتينات فريدة من نوعها، والتي تعمل بمثابة "محرك" يحرك جزيئات الإشارة بسرعة معروفة. ويعتقد العلماء أن "مركز التحكم" في الخلية العصبية يستخدم وسائل النقل هذه لغرض آخر: وهو حساب المسافة بينها وبين مكان تلف العصب.

إحدى الآليات التي يتم فحصها تعتمد على الازدواجية في نقل المعلومات العصبية: عند حدوث إصابة، يتم إنشاء إشارة كهربائية وإشارة كيميائية في نفس الوقت، ويتحرك كلاهما إلى مركز الخلية العصبية للإبلاغ عن ذلك. إلى "مركز التحكم". لكن سرعة الإشارتين مختلفة تمامًا - تقريبًا مثل الفرق بين سرعة رصاصة البندقية وسرعة الشاحنة البطيئة. وهذا الاختلاف في سرعة إشارتين تتحركان في نفس المسار، يسمح بحساب طول المسار الذي مرت عليه الإشارات، وهناك آلية أخرى تعتمد على الإشارة الكيميائية فقط. وبما أن جزيئات المادة الكيميائية -التي تنقل الإشارة- تميل إلى التشتت مع تقدمها، فإنها تشكل ما يشبه سحابة من الجزيئات تصبح أرق مع زيادة المسافة التي تقطعها الإشارة. ولكي تختار الطبيعة هذه الآلية، يجب أن يكون جسم الخلية حساسا بدرجة كافية لاكتشاف اختلافات الكثافة بين الجزيئات، وملاحظة وصول "موجات" الجزيئات الكيميائية التي قطعت مسافات مختلفة، وبالتالي حساب المسافة المطلوبة مثل تشتت الجسيمات.

ما هي الآلية التي اختارتها الطبيعة؟ لمحاولة الإجابة على هذا السؤال، أنشأ العلماء نموذجًا حسابيًا وأدخلوا فيه البيانات المتعلقة بموقع تلف الأعصاب والسرعة الدقيقة التي تتحرك بها كل إشارة. وأظهرت المحاكاة الحاسوبية الناتجة أن نموذج «الإشارة المزدوجة» -أي النموذج الذي يجمع أوقات وصول الإشارات الكهربائية والكيميائية- يوفر بالفعل أساسًا دقيقًا إلى حد ما لقياس المسافة في حالات تلف الأعصاب. ومن ناحية أخرى، فإن النموذج المعتمد على بيانات تشتت الإشارة الكيميائية وحده لم يسمح لـ "مركز التحكم" بحساب مسافة تلف الأعصاب بشكل صحيح - لذلك يبدو أن الخلايا العصبية لا تستخدم هذه الطريقة. وهكذا استنتج العلماء أن كلاً من الإشارات الكهربائية السريعة والإشارات الكيميائية البطيئة ضرورية لقياس المسافات الطويلة، ومن المرجح أن الطبيعة اختارت آلية القياس المزدوج، بالإضافة إلى أن النموذج المزدوج يوفر بيانات كمية ونوعية في نفس الوقت. .

ومن خلال محاكاة إصابتين عصبيتين تحدثان في الوقت نفسه، إحداهما في موقع أقرب إلى جسم الخلية العصبية والأخرى أبعد، باستخدام آلية القياس المزدوج، تمكن العلماء من إثبات أن جسم الخلية العصبية قادر على التمييز بين إصابتين مختلفتين طالما أن المسافة بينهما تزيد على عُشر إجمالي طول الخلية كما تم اكتشاف وجود علاقة بين زمن رد الفعل والمسافة. تتوافق هذه النتائج مع أنواع مختلفة من الحيوانات التي تكون خلاياها العصبية ذات أطوال مختلفة.

نُشرت النتائج مؤخرًا في المجلة العلمية PLoS Computational Biology. على الرغم من أنه محاكاة بسيطة للعمليات البيولوجية المعقدة، إلا أن هذا النموذج يعد نقطة انطلاق نحو البحث التجريبي الذي يمكن أن يساهم ببيانات مفصلة عن الطرق التي تسمح للخلايا العصبية بتحديد مواقع تلف الأعصاب، وحساب المسافة بين مركز التحكم في الخلية و منطقة الضرر. ويأمل العلماء أن تؤدي هذه الأفكار الجديدة في المستقبل إلى تطوير تطبيقات طبية مختلفة. من بين أمور أخرى، قد يكون من الممكن تعطيل حسابات المسافة التي تقوم بها الخلايا العصبية لمنع موت الخلايا وتشجيع عمليات الترميم.