بطريقة جديدة.. علماء يكتشفون كيفية حركة الأكسجين داخل الدماغ
يستهلك دماغ الإنسان كميات هائلة من الطاقة، التي تتولد بشكل حصري تقريبا من شكل من أشكال التمثيل الغذائي الذي يتطلب الأكسجين.
في حين أن من المعروف أن توصيل الأكسجين بكفاءة وفي الوقت المناسب أمر بالغ الأهمية لوظيفة الدماغ الصحية، إلا أن الآليات الدقيقة لهذه العملية ظلت مخفية إلى حد كبير عن العلماء.
حركة الأكسجين داخل الدماغ
أنتجت تقنية جديدة للتصوير بالتلألؤ البيولوجي، تم الأإعلان عن تفاصيلها في مجلة Science، صورًا مفصلة للغاية ومذهلة بصريًا لحركة الأكسجين في أدمغة الفئران.
ستمكن هذه الطريقة، التي يمكن تكرارها بسهولة بواسطة مختبرات أخرى، الباحثين من دراسة أشكال نقص الأكسجة في الدماغ بدقة أكبر، مثل حرمان الدماغ من الأكسجين الذي يحدث أثناء السكتة الدماغية أو الأزمة القلبية، وفقا لما نشره موقع ميديكال إكسبريس.
توفر أداة البحث الجديدة بالفعل نظرة ثاقبة حول سبب زيادة نمط الحياة المستقر من خطر الإصابة بأمراض مثل مرض آلزهايمر.
وقالت مايكين نيديرجارد، المديرة المشاركة لمركز الطب العصبي الانتقالي (CTN)، ومقره في جامعة روتشستر وجامعة هارفارد: «يوضح هذا البحث أنه يمكننا مراقبة التغيرات في تركيز الأكسجين بشكل مستمر وفي منطقة واسعة من الدماغ».
وأضافت: «يوفر لنا هذا صورة أكثر تفصيلا لما يحدث في الدماغ في الوقت الفعلي، مما يسمح لنا بتحديد المناطق التي لم يتم اكتشافها سابقًا من نقص الأكسجة المؤقت، والتي تعكس التغيرات في تدفق الدم التي يمكن أن تؤدي إلى عجز عصبي».
تستخدم الطريقة الجديدة البروتينات المضيئة، وهي أبناء عمومة كيميائية للبروتينات المضيئة الحيوية الموجودة في اليراعات.
تستخدم هذه البروتينات، التي تم استخدامها في أبحاث السرطان، فيروسًا يسلم تعليمات إلى الخلايا لإنتاج بروتين مضيء على شكل إنزيم.
عندما يواجه الإنزيم مركبًا كيميائيًا ثانيًا، وهو ركيزة تسمى فيوريمازين، فإن التفاعل الكيميائي يولد الضوء.
مثل العديد من الاكتشافات العلمية المهمة، فإن استخدام هذه العملية لتصوير الأكسجين في الدماغ تم بالصدفة.
كان فيليكس بينليش، الحائز على درجة الدكتوراه، والأستاذ المساعد في CTN بجامعة كوبنهاجن، ينوي في الأصل استخدام البروتين المضيء لقياس نشاط الكالسيوم في الدماغ.
وأصبح من الواضح أن هناك خطأ في إنتاج البروتينات، مما تسبب في تأخير البحث لمدة أشهر.
وبينما كان بينليش ينتظر وصول دفعة جديدة من الشركة المصنعة، قرر المضي قدمًا في التجارب لاختبار أنظمة المراقبة وتحسينها.
تم استخدام الفيروس لتوصيل تعليمات إنتاج الإنزيم إلى الخلايا النجمية، وهي خلايا دعم موجودة في كل مكان في الدماغ والتي تحافظ على صحة ووظائف الإشارة للخلايا العصبية، وتم حقن الركيزة في الدماغ عن طريق بضع القحف.
كشفت التسجيلات عن نشاط تم تحديده من خلال شدة متقلبة للتلألؤ البيولوجي، وهو أمر اشتبه فيه الباحثون، وأكدوا لاحقًا، أنه يعكس وجود الأكسجين وتركيزه.
وقال بينليش: «كان التفاعل الكيميائي في هذه الحالة يعتمد على الأكسجين، لذلك عندما يكون هناك الإنزيم والركيزة والأكسجين، يبدأ النظام في التوهج».
في حين أن تقنيات مراقبة الأكسجين الحالية توفر معلومات حول منطقة صغيرة جدًا من الدماغ، فقد تمكن الباحثون من مراقبة قسم كبير من قشرة الفئران في الوقت الفعلي.
تتوافق شدة التلألؤ البيولوجي مع تركيز الأكسجين، وهو ما أظهره الباحثون من خلال تغيير كمية الأكسجين في الهواء الذي تتنفسه الحيوانات.
تتوافق التغييرات في شدة الضوء أيضًا مع المعالجة الحسية، على سبيل المثال، عندما تم تحفيز شوارب الفئران بنفخة من الهواء، تمكن الباحثون من رؤية المنطقة المقابلة من الدماغ تضيء.
نقص الأكسجين وآلزهايمر
لا يمكن للدماغ أن يعيش لفترة طويلة بدون الأكسجين، وهو مفهوم يظهر من خلال الضرر العصبي الذي يتبع بسرعة السكتة الدماغية أو الأزمة القلبية.
لكن ماذا يحدث عندما يتم حرمان أجزاء صغيرة جدًا من الدماغ من الأكسجين لفترات قصيرة؟
لم يطرح الباحثون هذا السؤال حتى بدأ الفريق في مختبر Nedergaard في النظر عن كثب إلى التسجيلات الجديدة.
في أثناء مراقبة الفئران، لاحظ الباحثون أن مناطق صغيرة محددة من الدماغ تصبح مظلمة، أحيانًا لمدة دقائق، مما يعني انقطاع إمدادات الأكسجين.
يتم توزيع الأكسجين في جميع أنحاء الدماغ عبر شبكة واسعة من الشرايين والشعيرات الدموية الصغيرة التي تتخلل أنسجة المخ.
ومن خلال سلسلة من التجارب، تمكن الباحثون من تحديد أن الأكسجين قد تم حرمانه بسبب توقف الشعيرات الدموية، والذي يحدث عندما تقوم خلايا الدم البيضاء بسد الأوعية الدقيقة مؤقتًا وتمنع مرور الأكسجين الذي يحمل خلايا الدم الحمراء.
كانت هذه المناطق، التي أطلق عليها الباحثون اسم «جيوب نقص الأكسجة»، أكثر انتشارا في أدمغة الفئران أثناء حالة الراحة، مقارنة بما كانت عليه عندما كانت الحيوانات نشطة.
ويُعتقد أن توقف الشعيرات الدموية يزداد مع تقدم العمر، وقد لوحظ ذلك في نماذج مرض آلزهايمر.
