מטרה ארוכת שנים של מדעי המוח היא להבין כיצד מולקולות ומבנים תאיים בקנה מידה מיקרו מובילים לתקשורת בין אזורי מוח בקנה מידה מאקרו. מחקר שפורסם ב מדעי המוח בטבע מזהה כעת, לראשונה, מאות חלבוני מוח המסבירים הבדלים בין-אישיים בקישוריות פונקציונלית ובשיתוף פעולה מבניים במוח האנושי.
"מטרה מרכזית של מדעי המוח היא לפתח הבנה של המוח שמתארת בסופו של דבר את הבסיס המכניסטי של הקוגניציה וההתנהגות האנושית", אמר ג'רמי הרסקוביץ, Ph.D., פרופסור חבר באוניברסיטת אלבמה בברמינגהם המחלקה לנוירולוגיה ושות'. המחבר המקביל של המחקר עם כריס גייטרי, Ph.D., SUNY Upstate Medical University, סירקיוז, ניו יורק. "מחקר זה מדגים את ההיתכנות של שילוב נתונים מסולמות ביו-פיזיקליים שונים בתכלית כדי לספק הבנה מולקולרית של קישוריות המוח האנושי."
גישור על הפער מהסקאלה המולקולרית של חלבונים ו-mRNA לסולם הדמיית המוח של הדמיית תהודה מגנטית פונקציונלית ומבנית -; טווח של כשבע סדרי גודל -; התאפשר על ידי מחקר המסדרים הדתיים ופרויקט הזיכרון וההזדקנות של Rush, או ROSMAP, באוניברסיטת Rush, שיקגו, אילינוי.
ROSMAP רושמת נזירות קתוליות, כמרים ואחים בני 65 ומעלה, ללא דמנציה ידועה בזמן ההרשמה. המשתתפים מקבלים מדי שנה הערכות רפואיות ופסיכולוגיות ומסכימים לתרום את מוחותיהם לאחר מותם.
הרסקוביץ, גייטרי ועמיתיו חקרו דגימות מוח שלאחר המוות ונתונים מקבוצה ייחודית של 98 משתתפי ROSMAP. סוגי הנתונים שלהם כללו fMRI במצב מנוחה, MRI מבני, גנטיקה, מורפומטריה דנדרטית של עמוד השדרה, פרוטאומיקה ומדידות של ביטוי גנים מה-gyrus הקדמי העליון וה-temporal gyrus התחתון של המוח.
בהתבסס על היציבות של דפוסי קישוריות פונקציונליים בתוך אנשים, שיערנו שניתן לשלב נתונים מולקולריים ותת-תאיים לאחר המוות עם נתוני הדמיה עצבית לפני המוות מאותם אנשים כדי לתעדף מנגנונים מולקולריים העומדים בבסיס קישוריות המוח."
ג'רמי הרסקוביץ, Ph.D., פרופסור חבר באוניברסיטת אלבמה בברמינגהם המחלקה לנוירולוגיה
הגיל הממוצע של משתתפי ה-ROSMAP בזמן סריקת ה-MRI ובמוות היה 88 +/- 6 שנים ו-91 +/- 6 שנים, בהתאמה, עם מרווח זמן ממוצע בין סריקת ה-MRI לגיל המוות של 3 +/- 2 שנים. המרווח הממוצע שלאחר המוות לדגימת מוח היה 8.5 +/- 4.6 שעות. במחקר, החוקרים ביצעו אפיון מפורט של כל סוג נתוני אומי, סלולרי ונוירו-דמייה, ולאחר מכן שילבו את סוגי הנתונים השונים באמצעות אלגוריתמים מצרפים חישוביים.
המפתח למחקר היה שימוש במדידת סולם ביניים -; מורפומטריה דנדרטית של עמוד השדרה, הצורות, הגדלים והצפיפות של עמוד השדרה -; לקשר את הסולם המולקולרי עם סולם הדמיית המוח הכוללת. השילוב של מורפומטריית עמוד שדרה דנדריטי להקשר של האותות הפרוטאומיים והתעתיקים היה קריטי לזיהוי קשר חלבון עם קישוריות תפקודית. "בתחילה, מדדי החלבון וה-RNA לא יכלו להסביר את השונות מאדם לאדם בקישוריות פונקציונלית; עם זאת, הכל השפיע ברגע ששילבנו את המורפולוגיה הדנדרטית של עמוד השדרה כדי לגשר על הפער בין מולקולות לתקשורת בין אזור מוח", אמר הרשקוביץ'. .
דנדריט הוא שלוחה מסועפת מגוף נוירון שמקבלת דחפים מנוירונים אחרים. לכל דנדריט יכולים להיות אלפי בליטות קטנות הנקראות קוצים. ראש כל עמוד שדרה יכול ליצור נקודת מגע הנקראת סינפסה כדי לקבל דחף שנשלח מהאקסון של נוירון אחר. קוצים דנדריטים יכולים לשנות במהירות צורה או נפח תוך יצירת סינפסות חדשות, חלק מהתהליך הנקרא פלסטיות מוחית, וראש עמוד השדרה תומך מבנית בצפיפות פוסט-סינפטית. ניתן לחלק את השדרות לתת-מחלקות צורות בהתבסס על המבנה התלת-ממדי שלהן כמו דקים, פטריות, עצים או פילופודיה. הקיץ, במחקר אחר, השתמשו הרשקוביץ ועמיתיו בדגימות ROSMAP כדי להראות ששימור הזיכרון אצל מבוגרים מאוד נשמר על ידי האיכות, כפי שנמדדה בקוטר ראש עמוד השדרה הדנדריטי, ולא על ידי כמות הסינפסות במוח.
במחקר האחרון הזה, מאות החלבונים שזיהו החוקרים המסבירים הבדלים בין-אישיים בקישוריות תפקודית ובשיתוף פעולה מבניים, הועשרו לחלבונים המעורבים בסינפסות, בחילוף החומרים באנרגיה ובעיבוד RNA. "על ידי שילוב נתונים ברמות הגנטיות, המולקולריות, התת-תאיות והרקמות, קישרנו שינויים ביוכימיים ספציפיים בסינפסות לקישוריות בין אזורי מוח", אמר הרסקוביץ.
"בסך הכל, מחקר זה מצביע על כך שרכישת נתונים על פני נקודות המבט העיקריות במדעי המוח האנושי מאותה מערכת מוחות היא הבסיס להבנת האופן שבו תפקוד המוח האנושי נתמך במספר קנה מידה ביופיזי", אמר הרסקוביץ. "בעוד שמחקר עתידי נחוץ לקביעה מלאה של ההיקף והמרכיבים של סנכרון מוח רב-קנה מידה, הקמנו קבוצה ראשונית מוגדרת היטב של מולקולות שסביר להניח שהשפעותיהן מהדהדות על פני קנה מידה ביו-פיזי."
מלבד הרסקוביץ וגייטרי, מחברי המחקר, "שילוב רב-סקאלי מזהה חלבונים סינפטיים הקשורים לקישוריות מוח אנושית", הם ברנרד נג, שיניה טסאקי ודיוויד א. בנט, המרכז הרפואי של אוניברסיטת Rush, שיקגו, אילינוי; Kelsey M. Greathouse, Courtney K. Walker, Audrey J. Weber, Ashley B. Adamson, Julia P. Andrade, Emily H. Poovey, Kendall A. Curtis and Hamad M. Muhammad, UAB המחלקה לנוירולוגיה והמרכז לנוירודגנרציה וניסויים. תוֹרַת הָרִפּוּי; עדה ג'אנג, אוניברסיטת SUNY לרפואה באפסטייט; סידני קוביץ, מאט סיסלאק, יאקוב סיידליץ, טד סאטר'ווייט וג'ייקוב פוגל, אוניברסיטת פנסילבניה, פילדלפיה, פנסילבניה; וניקולס טי סייפריד, בית הספר לרפואה של אוניברסיטת אמורי, אטלנטה, ג'ורג'יה.
התמיכה הגיעה מהמענקים הלאומיים לבריאות AG061800, AG061798, AG057911, AG067635, AG054719, AG063755, AG068024, NS061788, AG10161, AG72975, AG157915, AG157915, AG157915, AG157915, AG157915, AG157915, AG157915, AG157915, AG063755.
ב-UAB, נוירולוגיה היא מחלקה בבית הספר לרפואה של Marnix E. Heersink.
