Phosphoproteome modifications and cortical circuit dysfunction are linked to the early-stage progression of alpha-synuclein aggregation.

غالباً ما يُعرف مرض باركنسون بالرعشات والتصلب الذي يصيب الجسم، ولكن بالنسبة للعديد من الأشخاص الذين يعيشون مع هذه الحالة، فإن التحديات الأكثر إعاقة هي التحديات المعرفية: فقدان الذاكرة، والارتباك، وتغيرات المزاج. تنشأ هذه الأعراض غير الحركية لأن المرض لا يظل محصوراً في هياكل الدماغ العميقة التي تتحكم في الحركة؛ بل ينتشر إلى الطبقات الخارجية من الدماغ، وهي القشرة التي تتعامل مع التفكير والشعور. واللاعب الرئيسي في هذا الانتشار هو بروتين يسمى "ألفا-سينوكلين". في الدماغ السليم، يساعد هذا البروتين في إدارة التواصل بين الخلايا العصبية. ومع ذلك، عندما يختل وظيفياً، يتكتل في ألياف لزجة تشبه الخيوط، وتنتقل من عصبون إلى آخر، مما يؤدي إلى إفساد الخلايا السليمة في طريقها. كان العلماء يعلمون منذ فترة طويلة أن هذه التكتلات تقتل خلايا الدماغ في النهاية، لكن السؤال الجوهري كان: ماذا يحدث في الدماغ قبل حدوث هذا الموت؟ إن فهم التغيرات الجزيئية المبكرة التي تحدث بينما لا يزال الدماغ حياً قد يكشف عن طرق جديدة لوقف المرض قبل أن يسبب ضرراً لا يمكن إصلاحه.

ولاستقصاء هذه الأحداث المبكرة، لجأ الباحثون إلى نموذج يحاكي انتشار اعتلال باركنسون. حيث قاموا بحقن كميات ضئيلة من ألياف "ألفا-سينوكلين" سابقة التشكيل مباشرة في "المخطط" (striatum)، وهو منطقة عميقة في الدماغ، لدى الجرذان والفئران. يعمل هذا الحقن مثل "البذرة"، مما يحفز "ألفا-سينوكلين" الطبيعي لدى الحيوانات على التكتل والانتشار إلى المناطق المتصلة، بما في ذلك القشرة الحسية الحركية، وهي منطقة حيوية للحركة والإحساس. انتظر الفريق ثلاثة أشهر، وهي فترة زمنية كافية لتشكل التكتلات وانتقالها، ولكنها قصيرة بما يكفي بحيث لم تفقد الحيوانات أعداداً كبيرة من خلايا الدماغ أو تظهر عجزاً سلوكياً واضحاً. ومن خلال فحص أنسجة الدماغ في هذه النافذة الزمنية المحددة، هدف الباحثون إلى رصد المرض أثناء قيامه بتعطيل الوظيفة الخلوية قبل موت الخلايا.

تعامل العلماء مع أنسجة الدماغ من خلال تحليل متعدد الطبقات، حيث نظروا في المجموعة الكاملة للبروتينات، والعلامات الكيميائية المحددة المرتبطة بها، والدهون التي تشكل أغشية الخلايا. ومن المثير للدهشة، أنه عندما نظروا إلى الكمية الإجمالية للبروتينات أو أنواع الدهون الموجودة، بدت أدمغة الحيوانات المعالجة متطابقة تقريباً مع أدمغة الحيوانات الضابطة. لم يكن هناك تحول هائل في مخزون المكونات الخلوية. ومع ذلك، عندما تعمقوا في النظر إلى العلامات الكيميائية المعروفة باسم "الفوسفات"، والتي تعمل مثل مفاتيح التشغيل والإيقاف لنشاط البروتين، تغيرت الصورة تماماً. أظهرت الأدمغة المعالجة مئات التغييرات الهامة في كيفية عمل هذه المفاتيح. يشير هذا الاكتشاف إلى أن المرحلة المبكرة من المرض لا تتميز بنقص في البروتينات أو تغير في التكوين الأساسي للخلية، بل بتغيير فوضوي في الإشارات التي تخبر تلك البروتينات بما يجب أن تفعله.

وكشف التحليل الإضافي لهذه الإشارات المتغيرة أن شبكة التواصل في الدماغ كانت تحت الضغط. تركزت التغييرات في البروتينات المسؤية عن النقل المشبكي، وهي العملية التي ترسل من خلالها العصبونات رسائل إلى بعضها البعض، وفي البروتينات التي تحافظ على الهيكل الداخلي للخلية. استخدم الباحثون أدوات حاسوبية للتنبؤ بالإنزيمات، أو الآلات الجزيئية، المسؤولة عن قلب هذه المفاتيم. ووجدوا دليلاً قوياً على أن نوعين محددين من الإنزيمات، المعروفين باسم "كازين كينيز-2" و"بروتين كينيز أ"، أصبحا مفرطي النشاط. والأهم من ذلك، حددوا طفرة في نشاط "مسار إشارات MAPK"، وهو مسار غالباً ما يكون مرتبطاً بكيفية استجابة الخلايا للإجهاد والنمو. يشير هذا إلى أن وجود تكتلات "ألفا-سينوكلين" يحفز استجابة معقدة متعددة الإنزيمات تغير كيفية تواصل العصبونات والحفاظ على هيكلها.

ولرؤية ما إذا كانت هذه التغييرات الجزيئية تترجم إلى وظائف دماغية فعلية، قام الفريق بتسجيل النشاط الكهربائي للعصبونات في القشرة الحسية الحركية للفئران المعالجة. واكتشفوا أن العصبونات كانت تطلق نبضاتها بشكل أكثر تكراراً من المعتاد، وهي حالة تُعرف بـ "فرط الاستثارة". علاوة على ذلك، كانت العصبونات تطلق نبضاتها بطريقة أكثر تزامناً، حيث تترابط قممها الكهربائية مع بعضها البعض عبر الشبكة. يشير هذا إلى أن المرض لا يقوم فقط بإسكات الدماغ، كما قد يتوقع المرء من حالة تنكس عصبي، بل يتسبب في الواقع في جعل الدوائر مفرطة النشاط وغير منظمة. ويتماشى هذا الفوضى الكهربائية تماماً مع النتائج الجزيئية لتغير المفاتك المشبكية، مما يرسم صورة لدماغ يكافح لتنظيم إشارات التواصل الخاصة به قبل وقت طويل من بدء موت الخلايا.

ولعل الاكتشاف الأكثر لفتاً للنظر هو الموقع الفيزيائي لإشارات الإجهاد هذه داخل العصبونات. فعندما نظر الباحثون عن كثب في الخلايا التي تحتوي على تكتلات "ألفا-سينوكلين"، وجدوا هياكل حبيبية صغيرة تتراكم في "السيتوبلازم"، وهو الفراغ المملوء بالسائل داخل الخلية ولكن خارج النواة. كانت هذه الهياكل غنية بالشكل المنشط لإنزيم MAPK. وشبهت هذه الحبيبات أجسام الإجهاد المعروفة باسم "الأجسام الحبيبية الفجوية"، والتي شوهدت في أمراض تنكس عصبي أخرى مثل ألزهايمر، ولكن كانت هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها ربطها بوضوح بتجمع "ألفا-سينوكلين" بهذه الطريقة المحددة. والأهم من ذلك، أن هذه الأجسام الإجهادية ظهرت في العصبونات التي تحمل التكتلات السامة، وتكونت في وقت مبكر بعد شهر واحد فقط من الحقن الأولي. يوفر هذا الاكتشاف علامة مادية ملموسة للضيق الخلوي الذي يحدث في مرحلة مبكرة جداً من عملية المرض، وهي علامة متميزة عن موت الخلايا الذي يأتي لاحقاً.

كما أوضحت الدراسة ما لم يحدث في هذه المرحلة. فبالرغم من الإشارات الجزيئية المكثفة والتغيرات الكهربائية، لم يجد الباحثون دليلاً على فقدان كبير في "الأشواك التغصنية"، وهي البروزات الصغيرة على العصبونات حيث يتم تكوين الاتصالات. وهذا يعني أن خلل الدائرة والفوضى الكيميائية يحدثان بينما لا تزال البنية الفيزيائية للمشابك سليمة. الدماغ لا ينهار بعد؛ بل هو ببساطة يخطئ في الإرسال. لاحظ الباحثون أيضاً أنه بينما أظهرت بعض الخلايا الدبقية، وهي الخلايا الداعمة للدماغ، علامات على التنشيط، إلا أن المصدر الأساسي لهذه التغييرات الكيميائية الدراماتيكية بدا أنه من العصبونات نفسها. هذا التمييز حيوي، لأنه يشير إلى أن العصبونات تستجيب بنشاط للتكتلات السامة من خلال سلسلة إشارات داخلية معقدة، بدلاً من مجرد الاستسلام السلبي للالتهاب الخارجي.

من خلال ربط النقاط بين المفاتيح الجزيئية، والنشاط الكهربائي، وأجسام الإجهاد الفيزيائية، تقدم هذه الدراسة رؤية جديدة لكيفية بدء مرض باركنسون في التأثير على الأجزاء المفكرة من الدماغ. فهي تظهر أن انتشار تكتلات "ألفا-سينوكلين" يحفز سلسلة ردود فعل محددة: فهو ينشط مجموعة من الإنزيمات التي تخلط الإشارات التي تتحكم في الوظيفة المشبكية، مما يؤدي إلى حالة من فرط الاستثارة وتكوين حبيبات الإجهاد داخل الخلية. تحدث هذه الأحداث قبل وقت طويل من موت العصبونات، مما يشير إلى وجود نافذة من الفرص حيث لا يزال الدماغ حياً ولكنه معطل وظيفياً. إن تحديد مسارات الإشارات المحددة هذه وأجسام الإجهاد الفيزيائية التي تخلقها يوفر مجموعة جديدة من الأهداف للعلاجات المستقبلية. فبدلاً من انتظار موت الخلايا، يمكن للعلاجات أن تهدف محتملاً إلى تهدئة مسارات الإشارات المفرطة هذه أو منع تكوين حبيبات الإجهاد هذه، مما قد يحافظ على الوظيفة الإدراكية في المراحل المبكرة من المرض.