روایت مغز: بررسی انتقال شیمیایی پیام عصبی

دانشی که امروزه در مورد جزئیات انتقال پیام عصبی در اختیار داریم حاصل تلاش بسیاری از محققان حوزه علوم و اعصاب است که موفق شدند مفهوم الکتریکی و شیمیایی پیام‌ها و انتقال دهنده‌های عصبی را کشف کنند. در این مقاله به بررسی بیشتر انتقال شیمیایی پیام‌ها در سیناپس‌ها خواهیم پرداخت. جالب است که بدانیم که در ابتدا فیزیولوژیست‌ها معتقد بودند که اعصاب به طور مستقیم بر روی عضلات یا غدد تاثیر گذاشته و فعالیت این ارگان‌ها را تغییر می‌دهند و در واقع به وجود نوروترنسمیترها و حتی فضای سیناپسی باور نداشتند. در سال ۱۹۰۴ الیوت (Elliott) نشان داد که برخی مواد شیمیایی که در حال گردش در خون هستند، هورمون‌ها، تاثیراتی بر روی بافت‌ها می‌گذارند   که بسیار شبیه به تحریک اعصاب خاص است.

او معتقد بود که اثرات هورمون آدرنالین مانند اثرات تحریک سیستم عصبی سمپاتیک است؛ به این صورت که با تحریک اعصاب سمپاتیک، یک انتقال دهنده عصبی، یعنی آدرنالین، از انتهای عصب رها می‌شود که همان ماده‌ایست که روی ارگان‌های دیگر تأثیر می‌گذارد.

حدود ده سال بعد هنری دیل ماده‌ای به نام استیل کولین را کشف کرد و توضیح داد که تأثیر استیل کولین بر روی ارگان‌ها مشابه تحریک سیستم عصبی پاراسمپاتیک است.

در سال ۱۹۲۱ اتو لووی برای اولین بار نتایج آزمایشات خود را بر روی قورباغه‌ها منتشر کرد که نشان می‌داد پیام‌های عصبی به روش انتقال شیمیایی بر روی عضله قلب تاثیرات خود را القا می‌کنند.

هنری هلت دیل (Henry Hallett Dale)

هنری هلت دیل (Henry Hallett Dale) در سال ۱۸۷۵ در لندن متولد شد. او در مدرسه لیز (Leys)، در کمبریج دوره ابتدایی تحصیلات خود را گذراند و در سال ۱۸۹۴ با بورس تحصیلی وارد کالج ترینیتی (Trinity) شد. پس از دریافت مدرک خود (TRIPOS) در رشته علوم طبیعی، متخصص فیزیولوژی و جانورشناسی شد. از سال ۱۸۹۸ تا ۱۹۰۰ تحت نظر J. N. Langley در حوزه فیزیولوژی مشغول به تحصیل بود و در سال ۱۹۰۰ با کسب بورس تحصیلی وارد بخش بالینی دوره پزشکی خود در بیمارستان سنت بارتولوموی (St. Bartholomew) لندن شد.

در سال ۱۹۰۴، دیل به عنوان داروساز در آزمایشگاه‌های تحقیقات فیزیولوژیکی Wellcome مشغول به کار شده و در سال ۱۹۰۶ مدیر این آزمایشگاه‌ها شد و حدود شش سال با همکاری شیمی دادن جورج بارگر (George Barger) در این مرکز مشغول به کار شد.

هنری دیل در سال ۱۹۰۹ موفق به کسب مدرک پزشکی خود شد. در همین دوره به او دعوت نامه دانشجویی جورج هنری لوئز (George Henry Lewes Studentship) در رشته فیزیولوژی اعطا شد و برای انجام تحقیقات خود تحت نظر استاد استارلینگ (Starling) راهی کالج دانشگاه لندن شد. در لندن بود که دیل با دوست سال‌های بعدی خود اتو لووی (Otto Loewi) آشنا شد.

در سال ۱۹۱۴ دیل به عنوان مدیر گروه بیوشیمی و داروسازی انستیتوی ملی تحقیقات پزشکی لندن منصوب شد. در سال‌های جنگ جهانی اول انگلیس مشکل بزرگی در تامین دارو داشت و دیل در این دوره در زمینه استاندارد سازی دارو، تلاش‌های بسیاری کرد. در سال ۱۹۲۸ مدیر این مؤسسه شده و تا زمان بازنشستگی خود در سال ۱۹۴۲ که استاد شیمی و مدیر آزمایشگاه دیوی فارادی در مؤسسه رویال لندن شد، در این سمت مشغول به خدمت بود. از سال ۱۹۴۶، او دانش، تجربه و انرژی های خود را به منظور حمایت از تحقیقات پزشکی به مدیریت Wellcome Trust اختصاص داد.

دیل در طول زندگی خود کشفیات مهمی را در حوزه فیزیولوژی انجام داد. او پی برد که عصاره ارگوت (نوعی قارچ) اثرات اپی نفرین را معکوس می‌کند و حاوی تیرامین، هیستامین و استیل کولین است. در سال ۱۹۱۴، دیل اظهار کرد كه استیل كولین احتمالاً مناسب‌ترین ماده شیمیایی برای فرآیند انتقال عصبی در سیستم پاراسمپاتیک است.

اصطلاحاتی مانند كولینرژیک و آدرنرژیک نیز برای اولین بار توسط دیل به کار برده شد. او در سال ۱۹۶۸ در کمبریج، انگلستان، فوت کرد.

اتو لووی (Otto Loewi)

لووی در سال ۱۸۷۳ در خانواده‌ا‌ی یهودی در فرانکفورت آلمان متولد شد. در سال ۱۸۹۱ تحصیل در رشته پزشکی در دانشگاه استراسبورگ آلمان را آغاز کرده و مدرک دکترای پزشکی خود را در سال ۱۸۹۶ دریافت کرد.

پس از فارغ التحصیلی، دوره آموزشی شیمی تحلیلی معدنی را تحت نظر مارتین فروند (Martin Freund)، در فرانکفورت گذراند و پس از آن چند ماه در موسسه بیوشیمی فرانتز اتو هافمیستر (Franz Hofmeister) در استراسبورگ (Strassburg) مشغول به کار شد. اتو لووی از سال ۱۸۹۷ به مدت یک سال به عنوان دستیار کارل فون نوردن (Carl von Noorden) پزشک بیمارستان شهر فرانکفورت کار کرد اما پس از مشاهده آمار بالای مرگ و میر ناشی از بیماری سل و ذات الریه پیشرفته که به دلیل عدم وجود روش‌های درمانی مناسب می‌مردند، تصمیم گرفت پزشکی بالینی را رها کند و به تحقیق در حوزه علوم پایه پزشکی به ویژه داروسازی رو آورد. در نتیجه در سال ۱۸۹۸، به عنوان دستیار استاد مشهور داروسازی هانس هورست مایر (Hans Horst Meyer) در دانشگاه ماربورگ مشغول به کار شد.

در سال‌های ابتدایی حضور در ماربورگ، تمرکز عمده مطالعات لووی بر روی متابولیسم مواد مختلف بود که در ادامه این مطالعات لووی پی برد كه دوزهای پایینی از كوكائین باعث افزایش پاسخ به تحریک مستقیم عصب سمپاتیک یا اپی نفرین اگزوژن وارد شده به بدن می‌شود. همچنین لووی در مورد مکانیسم عملکرد دیورتیک‌ها نیز مطالعاتی را انجام داده است.

دو سال بعد، اتو لووی مقاله‌ای در مورد سنتز پروتئین در بدن حیوانات منتشر کرد و در آن توضیح داده بود که حیوانات قادرند پروتئین‌های مورد نیاز خود را از تجزیه مواد دیگر و اسیدهای آمینه حاصل از آن بازسازی كنند. این مقاله یک كشف مهم در زمینه تغذیه محسوب می‌شد.

در سال ۱۹۰۲ زمانی که لووی به عنوان محقق مهمان در آزمایشگاه ارنست استارلینگ در لندن حضور داشت، با یکی از بهترین دوستان سال‌های بعدی زندگی خود یعنی هنری دیل ملاقات کرد و بعدها نیز این دو با یکدیگر موفق به دریافت جایزه نوبل پزشکی و فیزیولوژی شدند.

در سال ۱۹۳۸ پس از حمله ارتش آلمان به اتریش، لووی همراه با دو پسر خود دستگیر شد و با شرط واگذاری “داوطلبانه” تمام دارایی خود از جمله تحقیقاتی که طی سال‌های مختلف انجام داده است، آزاد شد. دو سال بعد به ایالات متحده نقل مهاجرت کرد و در آن جا استاد تحقیقاتی کالج پزشکی دانشگاه نیویورک شد و در سال ۱۹۶۱ در همین شهر درگذشت.

مطالعات جداگانه انجام شده توسط هنری دیل و اتو لووی

زمانی که هنری دیل در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی Wellcome مشغول به کار بود به پیشنهاد مدیر موسسه هنری ولکوم (Henry Wellcome)، تمرکز اولیه خود را بر روی مطالعه اثرات فیزیولوژیکی قارچ ارگوت معطوف کرد و در ادامه این مطالعات پی برد که عصاره ارگوت می‌تواند اثر آدرنالین و عملکرد اعصاب سمپاتیک را معکوس کند.

از صدها سال قبل قارچ ارگوت در میان مردم عامه برای القا زایمان مورد استفاده قرار می‌گرفت. در واقع قارچ ارگوت گنجینه‌ای از مواد دارویی فعال بود. یکی از این مواد که امروزه با نام هیستامین شناخته می‌شود، با افزایش نفوذپذیری مویرگ‌ها باعث کاهش قابل توجه فشار خون می‌شد. دیل با کشف وجود ماده‌ای مشابه در پوست حیوانات، این فرضیه را مطرح کرد که شاید هیستامین در بروز شوک آنافیلاکتیک نیز نقش داشته باشد بنابراین یکی از توصیه‌های او در طول جنگ جهانی اول در سربازانی که دچار “شوک ثانویه ناشی از جراحت” (secondary wound shock) می‌شدند تجویز سریع مایعات، خون کامل یا پلاسما بود.

ترکیبات دیگر به دست آمده از قارچ ارگوت ماده آمینی بود که ویژگی‌های مشابه آدرنالین را داشت. ترکیب دیگر ارگوتوکسین (ergotoxine) بود که خود به سه ترکیب فعال دیگر شبیه به استیل کولین قابل تجزیه بود و ترکیب نهایی کشف شده که بخش بزرگی از این مقاله نیز مربوط به آن است، استیل کولین بود.

وجود استیل کولین در این ترکیبات به دلیل آلودگی باکتریایی باسیلوس استیل کولینی (Bacillus acetylcholine) است که در واقع همان باسیل مسئول تخمیر نعلبکی است. از آن جا که ارگوت هیچ ترکیب کولین استرازی ندارد، استیل کولین تولید شده توسط باسیل نیز نسبتاً پایدار بوده و به سرعت تجزیه نمی‌شود.

در سال ۱۹۱۳ دیل با انجام آزمایشاتی نشان داد که تزریق داخل وریدی استیل کولین در گربه‌ها موجب مهار ضربان قلب گربه می‌شود. این واکنش پیش از او توسط داروساز آمریکایی رید هانت (Reid Hunt) انجام شده بود و هانت استیل کولین را در کاهش ضربان قلب و کاهش فشار خون بسیار موثر توصیف کرده بود. دیل پی برد که استیل کولین اثرات تحریک عصب پاراسمپاتیک یا واكنش شبه موسكارینی ایجاد می‌كند.

او دریافت که در بعضی نقاط، استیل کولین و موسکارین اثر مشابهی دارند، اما در نقاط دیگری که استیل کولین موجب واکنش عصب می‌شد، موسکارین مؤثر نبوده و در عوض دوزهای پایینی از نیکوتین تاثیرات استیل کولین را تقلید می‌کند. سپس مشخص شد که آتروپین انتقال پیام* در سایت‌های موسکارینی را مسدود می‌کند اما در بر روی سایت‌های نیکوتینی بی تاثیر است.

دیل با توجه به یافته‌های خود سایت‌های فعال و پاسخ دهنده به استیل کولین را به دو گروه موسکارینی و نیکوتینی تقسیم کرد؛ این تقسیم بندی نشان می‌دهد که بستر پاسخ دهنده به داروها قادر است داروهای مشابه، اما نه لزوماً یکسان را از یکدیگر بشناسد. این یافته در واقع توانست مفهوم وجود زیرگروه‌هایی در گیرنده‌ها را پیش بینی کرده و سر نخی برای بررسی و مطالعه بیشتر محققان فراهم کند.

دیل همچنین به ترتیب اصطلاحات پاراسمپاتومیمیک (parasympathomimetic) و سمپاتومیمیک (sympathomimetic ) را برای طبقه بندی لیستی از داروهایی که اثرات پاراسمپاتیک و سمپاتیک را تقلید می‌کنند، ارائه کرد.

در یادداشت‌های به دست آمده از دیل او اظهار دارد که استیل کولین، بیش از هر داروی دیگری، اثرات تحریکی بر روی اعصاب پاراسمپاتیک دارد. در واقع او عملکرد استیل کولین را “فوری” و “شدید” و “فوق العاده” توصیف کرده است.

علیرغم همه این کشفیات، دیل، حداقل در نوشته‌های خود، به احتمال ترشح استیل کولین از اعصاب پاراسمپاتیک اشاره نکرده بود. در واقع در آن دوره حتی تکنیک پیشرفته برای استخراج استیل کولین پیش از تجزیه شدن در بدن نیز وجود نداشت؛ بنابراین حتی با فرض این که او تصور ترشح استیل کولین از اعصاب پاراسمپاتیک را در ذهن خود داشته است، نمی‌توانست با قطعیت در این باره اظهار نظر کند.

دیل علاوه بر تحقیقات در مورد استیل کولین، ب همکاری برگر خواص تعدادی زیادی از ترکیبات سمپاتومیمتیک دیگر را که حتی قوی‌تر از آدرنالین بودند را نیز مورد بررسی قرار داد.

با این که دیل احتمال ترشح مواد شیمیایی از اعصاب سمپاتیک و پاراسمپاتیک را مطرح نکرد اما تحقیقات او توانست پایه‌های اثبات صحت نتایج اولیه آزمایش‌های لووی را ایجاد کند.

در سال ۱۹۲۱، اتو لووی شاید یکی از مهم‌ترین آزمایش‌های حوزه علوم و اعصاب را انجام داد و با وجود این که در ابتدا مورد استقبال و تایید دیگر دانشمندان قرار نگرفت اما پس از مدتی صحیح بودن کلیت فرضیه او تایید شد. به گفته خود لووی نحوه انجام این آزمایش به گونه‌ای در خواب به او الهام شده بود!

او در آزمایش خود از قلب دو قورباغه استفاده کرد. در آن دوره اثرات مهاری تحریک عصب واگ بر روی قلب شناخته شده بود. او قلب شماره ۱ را که هنوز به عصب واگ خود متصل بود در محفظه حاوی محلول نمک قرار داد. این محفظه به یک محفظه دوم که قلب شماره ۲ در آن قرار داشت، متصل بود درنتیجه مایع هر دو محفظه با یکدیگر در ارتباط بودند. لووی عصب واگ قلب شماره ۱ را تحریک کرده و طبق انتظار مشاهده کرد که تعداد ضربان قلب شماره ۱ کاهش می‌یابد. اما پس از گذشت مدت کوتاهی و با یک فاصله تاخیری ضربان قلب شماره ۲ نیز آهسته‌تر شد.

با تکرار دوباره این آزمایش، لووی این فرضیه را مطرح کرد که احتمالاً با تحریک الکتریکی عصب واگ ماده شیمیایی خاصی به داخل مایع محفظه شماره ۱ ریخته شده و با توجه به امکان جریان مایع به محفظه دوم این ماده اثرات خود را بر روی قلب شماره دو نیز می‌گذارد. لووی این ماده ناشناخته را “واگوستوف” (Vagusstoff) نامید.

لووی همین آزمایش را این بار به منظور تحریک اعصاب سمپاتیک قلب انجام داد و مشاهده کرد که با تزریق آدرنالین سرعت ضربان قلب شماره ۱ افزایش یافته و با یک فاصله تاخیری ضربان قلب شماره دو نیز افزایش می‌یابد. او این ماده را Acceleransstoff نامید و برای توضیح یافته‌های خود برای اولین بار از اصطلاح انتقال عصبی-هومورال استفاده کرد.

بعد از انتشار نتایج آزمایش لووی، او و هنری دیل که آن زمان در انستیتوی ملی تحقیقات پزشکی کار می‌کرد با انجام یک سری آزمایشات به منظور کشف ماهیت این ماده مرموز پی بردند که واگوستوف در واقع همان استیل کولین است.

لووی پس از انتشار یافته‌های خود با مخالفان بسیاری رو به رو شد. آن‌ها باور داشتند که بنابر دلایل بسیار موجود نتایج آزمایش لووی تکرار پذیر نیست و با توجه به سرعت بالای انتقال پیام در سلول‌های عصبی، فرضیه انتقال شیمیایی پیام نمی‌تواند کفایت کافی داشته باشد.

آن‌ها معتقد بودند که این نتایج تنها با آزمایش قورباغه‌های به اصطلاح زمستانی به دست می‌آید. البته بعدها نیز تایید شد که در زمستان اعصاب مهاری غالب هستند و در دماهای پایین‌تر احتمالاً بدن قورباغه کولین استراز کمتری داشته باشد؛ زیرا در غیر این صورت پایداری استیل کولین به میزانی که بتواند به محفظه دوم برسد، بعید به نظر می‌رسد. علاوه بر این، آشفتگی فیزیکی* مایعات در حال انتقال خود می‌تواند باعث تغییر در ضربان قلب شود. در این باره گزارش‌هایی وجود داشت که نشان می‌داد انتقال هرگونه مایع** به این روش، باعث کاهش ضربان در قلب دوم می‌شود؛ فارغ از این که قلب اول ضربان نرمالی داشته، توسط عصب واگ مهار شده، یا حتی توسط اعصاب سمپاتیک تحریک شده باشد. در نهایت اشکال دیگر وارده به تحقیقات لووی عدم مشاهده نتیجه قابل قبول در پستانداران بود. با در نظر گرفتن تمامی این موارد از نظر مخالفان، لووی کارکرد آزمایش خود را مدیون خوش شانسی‌اش بود.

در سال ۱۹۲۶ از لووی خواسته شد که برای نشان دادن صحت آزمایش خود به منتقدان در کنگره بین المللی فیزیولوژی که در استکهلم برگزار می‌شد، آزمایش خود را تکرار کند و او توانست نتایج آزمایش خود را ۱۸ بار دیگر با موفقیت نشان دهد اما بازهم تمامی منتقدان رضایت کافی نداشتند.

لووی با وجود این حجم از انتقادات دلسرد نشد و به راه خود ادامه داد. او در مقاله اول خود در سال ۱۹۲۱ عنوان کرده بود که این مواد هورمونی که قادر به کند کردن یا سرعت بخشیدن به ضربان قلب هستند می‌توانند از دو منبع ترشح شوند. یا به طور مستقیم در اثر تحریک عصبی بدون توجه به نوع فعالیت قلبی ترشح می‌شوند یا این که تنها محصولات نوع خاصی از فعالیت‌های قلبی هستند که با ایمپالس‌های عصبی آزاد می‌شوند. در صورتی که فرضیه دوم درست می‌بود، شناسایی عملکرد این مواد با محرک‌های عصبی تصادفی محسوب می‌شد.**

اگر از نگاه دیگر بررسی کنیم لووی در واقع به مشکل مداوم پیش روی دانشمندان دیگر برخورده بود؛ آیا ماده شناخته شده از عضلات مهار شده یا فعال شده منشا می‌گرفت یا از خود عصب ترشح می‌شد.

او به منظور رد فرضیه دوم با استفاده از دوز بالای نیکوتین و فلج کردن قلب شماره ۱ متوجه شد که هنوز هم واگوستروف و Acceleransstoff پس از تحریک عصبی به محفظه دوم منتقل می‌شوند و تاصیرات خود را بر روی قلب شماره دو می‌گذارند.

پس از انجام یک سری آزمایشات دیگر، لووی و همکارانش اظهار کردند که از بین تمام مواد شناخته شده به عنوان تحریک کننده عصب واگ مانند موسکارین، استیل کولین، کولین، پیلوکارپین، تنها استیل کولین تمامی آزمایشات دارویی را با موفقیت پشت سر گذاشته است و ماهیت ماده واگوستروف استیل کولین است.

آن‌ها می‌دانستند که آتروپین از عملکرد واگوستوف کشف شده جلوگیری می‌کند و در آزمایش‌های انجام شده بر روی محرک‌های مختلف واگ، به غیر از کولین  و استیل کولین بقیه واگومیمتیک‌ها نتیجه درست را نشان نمی‌دادند. کولین نیز برای اثر بخشی باید غلظت مشخصی داشته باشد و حتی در غلظت‌های بالا نیز تاثیر کولین بر ضربان قلب نسبتاً ضعیف بود. آن‌ها همچنین مشاهده کردند که مقادیر کمی از کولین استراز اثرات مهاری واگ بلاک شده و یا به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. با انجام تحقیقات دیگر در آزمایشگاه‌های سراسر جهان این نتایج در پستانداران نیز قابل دست یابی بود.

 در سال ۱۹۳۶ هنری دیل و همكاران او موفق شدند اثبات کنند که انتقال شیمیایی پیام عصبی در اعصاب محیطی و محل اتصال عصب به عضله نیز وجود دارد؛ به این صورت که سیناپس‌های محیطی پیش گانگلیونی اتونوم و پست گانگلیونی پاراسمپاتیک کولینرژیک و سیناپس‌های سمپاتیک آدرنرژیک هستند. به پاس تمامی تلاش‌هاش انجام شده در طول سال‌ها در زمینه کشف مکانیسم انتقال پیام عصبی، جایزه نوبل پزشکی در سال ۱۹۳۶ به اتو لووی و هنری دیل تعلق گرفت.