سفر به ذهن یک سلول
آیا یک سلول می‌تواند به خاطر بیاورد؟ گروه کوچکی از دانشمندان مغز و اعصاب با آزمایش‌های نوآورانه نشان داده‌اند که حتی سلول‌های منفرد، از موجودات تک‌سلولی تا سلول‌های کلیوی انسان، می‌توانند الگوهای شیمیایی را به خاطر سپرده و به آنها پاسخ دهند.
این اکتشافات که ریشه در سؤال عمیق باربارامک‌کلینتاک،برنده نوبل دارد،باور دیرینه علم عصب‌شناسی را به چالش می‌کشد: آیا حافظه فقط مختص مغز است، یا سلول‌های بی‌مغز هم می‌توانند گذشته را به یاد بیاورند و یاد بگیرند؟
فراموشی و احیای یک ایده
با وجود اهمیت یافته‌های جنینگز، آزمایش‌های او برای دهه‌ها نادیده گرفته شد و حتی غیرقابل‌تکرار تلقی گردید. این دیدگاه تا‌حدی به‌دلیل تعصبات علمی آن زمان بود که موجودات تک‌سلولی را ماشین‌های زیستی ساده‌ای می‌دانست که تنها پاسخ‌های از پیش تعیین‌شده دارند. در سال ۲۰۱۰، جرمی گاناواردنا، زیست‌شناس سیستمی در دانشگاه هاروارد، با بررسی دقیق‌تر متوجه شد که تلاش‌ها برای تکرار آزمایش‌های جنینگز روی گونه متفاوتی انجام شده بود. او با همکاری دانشجویان خود، آزمایش‌های جنینگز را به گونه درست تکرار و در سال ۲۰۱۹ نتایج آن را منتشر کرد.
دیدگاه یک سلول
نیکولای کوکوشکین، عصب‌شناس دانشگاه نیویورک معتقد است که برای درک حافظه سلولی باید از دیدگاه یک سلول به موضوع نگاه کرد! از نظر یک سلول، که در تاریکی گرم بدن چندسلولی زندگی می‌کند، این تجربه چیزی جز الگوهای شیمیایی در زمان نیست: مواد‌مغذی، هورمون‌ها، نمک‌ها و مولکول‌های سیگنال‌دهنده از سلول‌های همسایه. این مواد شیمیایی باعث تغییرات مولکولی یا اپی‌ژنتیکی در سلول می‌شوند و بر نحوه پاسخ آن به سیگنال‌های جدید تأثیر می‌گذارند.
آزمایش اثر فاصله‌گذاری
کوکوشکین برای بررسی این ایده،آزمایشی طراحی کردتایکی ازویژگی‌های مشترک حافظه درحیوانات،یعنی«اثر فاصله‌گذاری»را درسلول‌های غیرعصبی آزمایش کند. این اثرکه اولین‌بار توسط هرمان ابینگهاوس در سال ۱۸۸۵ شناسایی شد، نشان می‌دهد که یادگیری زمانی مؤثرتر است که اطلاعات در جلسات با فاصله زمانی ارائه شوند تا به‌صورت یکجا.
کوکوشکین و تیمش سلول‌های کلیوی انسان و سلول‌های عصبی نابالغ را در محیط کشت آزمایشگاهی پرورش دادند و با استفاده از یک توالی DNA که در مسیرهای سیگنال‌دهی سلولی نقش دارد، پاسخ‌های داخلی سلول‌ها را اندازه‌گیری کردند. آنها این سلول‌ها را با الگوهای شیمیایی زمان‌بندی‌شده‌ای تحریک کردند که شبیه سیگنال‌های عصبی در مغز بود. نتایج نشان داد که وقتی مواد شیمیایی به‌صورت پالس‌های کوتاه با فاصله ۱۰دقیقه‌ای ارائه می‌شدند، سلول‌ها برای مدت طولانی‌تری (بیش از یک روز) فعال باقی می‌ماندند، درحالی‌که یک پالس سه‌دقیقه‌ای مداوم تنها چند ساعت اثر داشت. این نشان‌دهنده وجود حافظه در سلول‌های غیرعصبی بود که به الگوهای فاصله‌دار حساس است.
چرا حافظه سلولی مهم است؟
سام گرشمن توضیح می‌دهد که از منظر یک سلول، اطلاعات فاصله‌دار نشانه‌ای از یک محیط پایدار و قابل پیش‌بینی است، درحالی‌که اطلاعات یکجا ممکن است نشان‌دهنده یک رویداد گذرا در محیطی آشوبناک باشد. بنابراین سلول‌ها به گونه‌ای تکامل یافته‌اند که اطلاعات پایدار را برای مدت طولانی‌تری حفظ کنند، زیرا این اطلاعات برای بقای آنها مفیدتر است.
کوکوشکین معتقد است که این ویژگی حافظه احتمالا در همه انواع سلول‌ها وجود دارد. او‌می‌گوید: «من شرط می‌بندم که هر نوع سلول دلخواه شما اثر فاصله‌گذاری را نشان خواهد داد. باید پیش‌فرض ما این باشد که حافظه یک فرآیند پیوسته است و همه سلول‌ها، از گیاهان تا نورون‌ها، به یک شیوه حافظه را حفظ می‌کنند.»
حافظه به‌عنوان یک رویداد فیزیکی
گرشمن پیشنهاد می‌کند که حافظه را می‌توان به‌عنوان یک رویداد فیزیکی تعریف کرد: اثری که بر جهان یا خود گذاشته می‌شود. از این منظر یک واکسن، یک زخم، یک کودک یا حتی یک رد پا هم نوعی حافظه دارد. در سطح سلولی، تغییرات بیوشیمیایی که اطلاعات گذشته را حفظ می‌کند، بخشی از این تعریف گسترده‌تر از حافظه است. این پژوهش‌ها نشان می‌دهد که علم، مانند یک سلول، می‌تواند از گذشته خود درس بگیرد و با بازنگری در ایده‌های فراموش‌شده، به درک عمیق‌تری از حافظه و یادگیری دست‌یابد.
موانع پذیرش حافظه سلولی
یکی از دلایل مقاومت علم در برابر پذیرش حافظه سلولی، تعصبات اجتماعی و علمی است. یافته‌های جنینگز و گلبر در زمان خود به‌دلیل مغایرت با نظریه‌های غالب، مانند تروپیسم یا رفتارگرایی، نادیده گرفته شدند. این نظریه‌ها موجودات زنده را به‌عنوان ماشین‌های زیستی ساده‌ای می‌دیدند که تنها پاسخ‌های از پیش تعیین‌شده دارند.
علاوه‌بر این، تعریف حافظه نیز چالش‌برانگیز است. در علوم اعصاب، حافظه معمولا به‌عنوان چیزی تعریف می‌شود که پس از تجربه باقی می‌ماند و رفتار آینده را تغییر می‌دهد. اما این تعریف رفتارمحور ممکن است محدودکننده باشد. برای مثال در مورد یک حلزون دریایی، اگر پس از تحریک اولیه، پاسخ دفاعی آن قوی‌تر شود، این نشانه حافظه است اما در صورت جداکردن نورون‌های آن، دیگر نمی‌توانیم رفتار را مشاهده کنیم. آیا این به این معناست که حافظه از بین رفته است؟ کوکوشکین معتقد است که این تمایز مصنوعی است و حافظه باید فراتر از رفتار، به‌عنوان هرگونه تغییر فیزیکی که اطلاعات گذشته را حفظ می‌کند، تعریف شود.
فراموشی و احیای یک ایده
با وجود اهمیت یافته‌های جنینگز، آزمایش‌های او برای دهه‌ها نادیده گرفته شد و حتی غیرقابل‌تکرار تلقی گردید. این دیدگاه تا‌حدی به‌دلیل تعصبات علمی آن زمان بود که موجودات تک‌سلولی را ماشین‌های زیستی ساده‌ای می‌دانست که تنها پاسخ‌های از پیش تعیین‌شده دارند. در سال ۲۰۱۰، جرمی گاناواردنا، زیست‌شناس سیستمی در دانشگاه هاروارد، با بررسی دقیق‌تر متوجه شد که تلاش‌ها برای تکرار آزمایش‌های جنینگز روی گونه متفاوتی انجام شده بود. او با همکاری دانشجویان خود، آزمایش‌های جنینگز را به گونه درست تکرار و در سال ۲۰۱۹ نتایج آن را منتشر کرد.
دیدگاه یک سلول
نیکولای کوکوشکین، عصب‌شناس دانشگاه نیویورک معتقد است که برای درک حافظه سلولی باید از دیدگاه یک سلول به موضوع نگاه کرد! از نظر یک سلول، که در تاریکی گرم بدن چندسلولی زندگی می‌کند، این تجربه چیزی جز الگوهای شیمیایی در زمان نیست: مواد‌مغذی، هورمون‌ها، نمک‌ها و مولکول‌های سیگنال‌دهنده از سلول‌های همسایه. این مواد شیمیایی باعث تغییرات مولکولی یا اپی‌ژنتیکی در سلول می‌شوند و بر نحوه پاسخ آن به سیگنال‌های جدید تأثیر می‌گذارند.
آزمایش اثر فاصله‌گذاری
کوکوشکین برای بررسی این ایده،آزمایشی طراحی کردتایکی ازویژگی‌های مشترک حافظه درحیوانات،یعنی«اثر فاصله‌گذاری»را درسلول‌های غیرعصبی آزمایش کند. این اثرکه اولین‌بار توسط هرمان ابینگهاوس در سال ۱۸۸۵ شناسایی شد، نشان می‌دهد که یادگیری زمانی مؤثرتر است که اطلاعات در جلسات با فاصله زمانی ارائه شوند تا به‌صورت یکجا.
کوکوشکین و تیمش سلول‌های کلیوی انسان و سلول‌های عصبی نابالغ را در محیط کشت آزمایشگاهی پرورش دادند و با استفاده از یک توالی DNA که در مسیرهای سیگنال‌دهی سلولی نقش دارد، پاسخ‌های داخلی سلول‌ها را اندازه‌گیری کردند. آنها این سلول‌ها را با الگوهای شیمیایی زمان‌بندی‌شده‌ای تحریک کردند که شبیه سیگنال‌های عصبی در مغز بود. نتایج نشان داد که وقتی مواد شیمیایی به‌صورت پالس‌های کوتاه با فاصله ۱۰دقیقه‌ای ارائه می‌شدند، سلول‌ها برای مدت طولانی‌تری (بیش از یک روز) فعال باقی می‌ماندند، درحالی‌که یک پالس سه‌دقیقه‌ای مداوم تنها چند ساعت اثر داشت. این نشان‌دهنده وجود حافظه در سلول‌های غیرعصبی بود که به الگوهای فاصله‌دار حساس است.
چرا حافظه سلولی مهم است؟
سام گرشمن توضیح می‌دهد که از منظر یک سلول، اطلاعات فاصله‌دار نشانه‌ای از یک محیط پایدار و قابل پیش‌بینی است، درحالی‌که اطلاعات یکجا ممکن است نشان‌دهنده یک رویداد گذرا در محیطی آشوبناک باشد. بنابراین سلول‌ها به گونه‌ای تکامل یافته‌اند که اطلاعات پایدار را برای مدت طولانی‌تری حفظ کنند، زیرا این اطلاعات برای بقای آنها مفیدتر است.
کوکوشکین معتقد است که این ویژگی حافظه احتمالا در همه انواع سلول‌ها وجود دارد. او‌می‌گوید: «من شرط می‌بندم که هر نوع سلول دلخواه شما اثر فاصله‌گذاری را نشان خواهد داد. باید پیش‌فرض ما این باشد که حافظه یک فرآیند پیوسته است و همه سلول‌ها، از گیاهان تا نورون‌ها، به یک شیوه حافظه را حفظ می‌کنند.»
حافظه به‌عنوان یک رویداد فیزیکی
گرشمن پیشنهاد می‌کند که حافظه را می‌توان به‌عنوان یک رویداد فیزیکی تعریف کرد: اثری که بر جهان یا خود گذاشته می‌شود. از این منظر یک واکسن، یک زخم، یک کودک یا حتی یک رد پا هم نوعی حافظه دارد. در سطح سلولی، تغییرات بیوشیمیایی که اطلاعات گذشته را حفظ می‌کند، بخشی از این تعریف گسترده‌تر از حافظه است. این پژوهش‌ها نشان می‌دهد که علم، مانند یک سلول، می‌تواند از گذشته خود درس بگیرد و با بازنگری در ایده‌های فراموش‌شده، به درک عمیق‌تری از حافظه و یادگیری دست‌یابد.
موانع پذیرش حافظه سلولی
یکی از دلایل مقاومت علم در برابر پذیرش حافظه سلولی، تعصبات اجتماعی و علمی است. یافته‌های جنینگز و گلبر در زمان خود به‌دلیل مغایرت با نظریه‌های غالب، مانند تروپیسم یا رفتارگرایی، نادیده گرفته شدند. این نظریه‌ها موجودات زنده را به‌عنوان ماشین‌های زیستی ساده‌ای می‌دیدند که تنها پاسخ‌های از پیش تعیین‌شده دارند.
علاوه‌بر این، تعریف حافظه نیز چالش‌برانگیز است. در علوم اعصاب، حافظه معمولا به‌عنوان چیزی تعریف می‌شود که پس از تجربه باقی می‌ماند و رفتار آینده را تغییر می‌دهد. اما این تعریف رفتارمحور ممکن است محدودکننده باشد. برای مثال در مورد یک حلزون دریایی، اگر پس از تحریک اولیه، پاسخ دفاعی آن قوی‌تر شود، این نشانه حافظه است اما در صورت جداکردن نورون‌های آن، دیگر نمی‌توانیم رفتار را مشاهده کنیم. آیا این به این معناست که حافظه از بین رفته است؟ کوکوشکین معتقد است که این تمایز مصنوعی است و حافظه باید فراتر از رفتار، به‌عنوان هرگونه تغییر فیزیکی که اطلاعات گذشته را حفظ می‌کند، تعریف شود.
