پیچیده‌ترین هزارتوی جهان

پیچیده‌ترین هزارتوی جهان

ترجمه: دکتر سیدداریوش طاهرزاده

مغز انسان پیچیده‌ترین ساختاری است که در کل عالم شناخته‌ایم. پس از میلیون‌ها سال فرگشت، امروزه ۸۶ میلیارد نورون در آن وجود دارد که با بیش از ۱۰۰ هزار میلیارد اتصال به هم وصل شده‌اند. این تعداد نورون و اتصالات باعث شده این جسم ۱۴۰۰ گرمی به‌گمان وزن نسبتا اندک خود، چنان دامنه‌ عملکرد گسترده‌ای داشته باشد که از قوی‌ترین ابررایانه‌های دنیا نیز به‌مراتب قوی‌تر باشد.

ناحیه پیشامغزی انسان مانند دیگر پستانداران، بیشترین حجم مغز را اشغال کرده است و با غشای ضخیمی از نورون‌ها که قشر مغز (Cerebral Cortex) نامیده می‌شوند، پوشیده شده. این لایه در انسان‌ها بسیار وسیع‌تر از دیگر پستانداران است و برای مثال در مقایسه با موش، هزار برابر نورون بیشتری را در خود جای داده است.

ستون‌های نئوکورتکسی، کوچک‌ترین واحدهای پردازنده قشرند و هزاران اتصال را در خود جای داده‌اند. در خلال فرگشت، این ستون‌ها آن‌قدر تکثیر شدند که دیگر جایی برای آن‌ها درون جمجمه باقی نماند؛ در نتیجه شیارهای مغزی پدیدار شدند تا تعداد بیشتری از ستون‌ها بتوانند درون چین‌خوردگی‌های مغز جای بگیرند. اگر این چین‌خوردگی‌ها وجود نداشت و نورون‌ها قرار بود در سطحی صاف گسترش پیدا کنند، دو مترمربع را فرا می‌گرفتند.

شبکه نورون‌ها در مغز آن‌قدر پیچیده است که هر سلول به‌طور میانگین  با۱۰هزار سلول دیگر، ارتباط دارد تا این ساختار را به پیچیده‌ترین مدار الکتریکی دنیا مبدل سازد. سال ۲۰۱۳میلادی (۱۳۹۲شمسی) مرکز تحقیقات علوم شناختی در درسدن آلمان، شکل‌گیری ارتباطات نورونی را روی موش‌های کلون‌شده (شبیه‌سازی‌شده) بررسی کرد. موش‌های کلون‌شده ازلحاظ ژنتیکی کاملا به یکدیگر شبیه بودند اما در محیط‌های متفاوتی رشد کردند. پژوهش‌ها نشان داد موش‌هایی که اسباب‌بازی‌های بیشتر و محیط مفرح‌تری در اختیار داشتند، تعداد نورون‌های بیشتر و درنتیجه ساختار مغزی پیچیده‌تری کسب کرده بودند؛ درمقابل، موش‌هایی که در محیط بدون امکانات قرار داده شده بودند، تنبل‌تر شده بودند و مغزشان متناسب با شرایط موجود، ساختار ساده‌تری به خود گرفته بود.

 

نقشه‌برداری از اتصالات

جنس مغزهای گوناگون با یکدیگر تفاوتی ندارد اما هر نورون در هر مغز متفاوت است و مسیر خود را طی می‌کند. سیم‌کشی هر مغز با دیگری تفاوت دارد و بر اساس شرایط زندگی و تجربیات رقم می‌خورد.

ترسیم نقشه‌ اتصالات مغز انسان، پروژه‌ بسیار بزرگی است که هم‌اکنون در جریان است. این پروژه که از سال ۲۰۰۹ (۱۳۸۸شمسی) آغاز شده، در نظر دارد تا تمامی اتصالات بین نورون‌های مغز انسان را به تصویر بکشد. پیش‌ازاین پروژه مشابهی برای ژنوم انسان انجام شده بود. در پروژه مغز، برنامه‌های رایانه‌ای مسیر نورون‌ها را در تصاویر مغزی رهگیری می‌کنند و برای کاهش هرچه بیشتر خطا، هر کاری که رایانه انجام می‌دهد، دوباره انسان آن را بررسی می‌کند.

البته بعضی گروه‌های تحقیقاتی به‌جای رایانه‌ها از انسان‌های داوطلب استفاده می‌کنند. سال ۲۰۱۱ (۱۳۹۰)، بازی آن‌لاینی به نام فولدیت (Foldit) برای ترغیب بازیکنان به حل معمای پروتئین‌های سه‌بعدی منتشر شد. مردم توانستند از طریق این بازی به محققان کمک کنند تا ساختار پروتئینی ویروسی را کشف کنند که نشانه‌هایی مانند ایدز در میمون‌ها ایجاد می‌کند.

این روش امروزه نیز برای علوم اعصاب به کار گرفته شده است تا مردم بتوانند نقشه اعصاب پشت چشم را به کمک یکدیگر ترسیم کنند. ترسیم نقشه مغز اما بسیار پیچیده‌تر است و امید می‌رود تا مردم بتوانند الگوها را بهتر از رایانه‌ها در مجموعه‌ رشته‌های عصبی پیدا کنند. برای مثال، بازیکنان در پروژه‌ آی‌وایر (EyeWire) نورون نیمه‌کاره‌ای را دنبال می‌کنند تا مسیر آن را در هر بخش از مغز بیابند. هر بخش مکررا به دست افراد مختلفی موردبررسی قرار می‌گیرد تا اگر کسی اشتباهی مرتکب شده باشد، در مجموع اصلاح شود. بازیکنان باسابقه نیز بر بخش‌های مختلف نظارت می‌کنند و سرعت کار را به‌مراتب افزایش می‌دهند.

 

شبیه‌سازی مغز

با وجود اطلاعات و تصویر دقیقی که پروژه‌هایی مانند آی‌وایر در اختیار ما قرار می‌دهند، بازسازی ساختار پیچیده‌ای مانند مغز می‌تواند ده‌ها سال به طول انجامد. راه‌حل دیگر آن است که مغز را شبیه‌سازی کنیم؛ آنچه را از آن می‌دانیم، به‌عنوان چهارچوب اعمال کنیم و بخش‌های ناشناخته را به کمک آن مطالعه کنیم. به همین ترتیب، می‌توان داده‌های حقیقی را با مدل پیشنهادی مقایسه کرد و صحت آن‌ها را سنجید.

سال ۲۰۱۴ (شمسی۱۳۹۳) بود که ابررایانه‌ی ژاپنی «کی» (K)، ۸۳ هزار پردازشگر خود رابه کار گرفت تا یک درصد از یک ثانیه از فعالیت مغز انسان را شبیه‌سازی کند. ۴۰ دقیقه طول کشید تا ابررایانه به نتیجه برسد، دستاورد بزرگی که صرفا اندکی از ظرفیت مغز انسان را به نمایش می‌گذاشت.

اما شبیه‌سازی هم مشکلات خودش را دارد. مهم‌ترین‌شان، این است که رایانه‌های امروزی ساختاری متفاوت نسبت به مغز انسان دارند. مغز انسان از هسته‌های پردازشی تشکیل می‌شود و می‌تواند برای انجام کاری مشخص آموزش ببیند. این هسته‌ها دقت کمتری نسبت به رایانه دارند اما منعطف‌ترند و قابلیت آموزش دارند. درمقابل، رایانه‌ها از برنامه‌های متعددی برای تصمیم‌گیری استفاده می‌کنند؛ همچنین حافظه‌شان ساختار سلسله‌مراتبی دارد، درحالی که مغز انسان آنچه را نیاز دارد به خاطر بسپارد، به‌صورت شبکه‌ای توزیع می‌کند.

سال ۲۰۱۳ (۱۳۹۲شمسی)، اتحادیه اروپا یک میلیارد دلار را به تحقیقات روی مغز اختصاص داد. پروژه جاه‌طلبانه‌ اروپایی‌ها قرار است به تولید ماشین‌های محاسباتی پیشرفته‌ای بینجامد که به کمک آن‌ها می‌توان عملکرد مغز را بهتر درک کرد و نقشه جامع‌تر و کامل‌تری نسبت به آنچه تاکنون وجود داشته، ترسیم کرد. امید آن می‌رود که دستاورد این پروژه منجر به خلق ابررایانه‌ای شود که به کمک آن بتوان شبکه عصبی انسان را شبیه‌سازی کرد. اروپایی‌ها تخمین زده‌اند که برای شبیه‌سازی عملکرد هر نورون، به یک لپ‌تاپ نیاز دارند و به همین دلیل همکاری تنگاتنگی با آی‌بی‌ام برقرار کرده‌اند تا برایشان ابررایانه‌ نورومورفیک نیرومندی بسازد.

تراشه‌های نورومورفیک بر اساس ساختار مغز انسان تولید شده‌اند. آی‌بی‌ام در سال ۲۰۱۴ (۱۳۹۳شمسی) تراشه‌ای به نام «سیناپس» (SyNAPSE) تولید کرد که در آن، یک‌میلیون نورون با ۲۵۶ میلیون سیناپس به یکدیگر متصل شده‌اند. نورون‌ها در ۴۰۹۶ هسته‌ سیناپسی قرار گرفته‌اند و به‌طور موازی با یکدیگر عمل می‌کنند تا اگر یکی از هسته‌ها از کار افتاد، دیگر هسته‌ها بتوانند عملکرد آن را پوشش می‌دهند.

دانشمندان داده‌هایی مشابه سیگنال‌های زیستی را به این رایانه‌ها می‌دهند و با بررسی فعالیت الکتریکی آن‌ها، مسیر پردازش و ذخیره‌سازی اطلاعات را رهگیری می‌کنند. این پروژه عظیم حاصل مشارکت ۱۰۰ موسسه در ۲۴ کشور جهان است.

 

مغز و فناوری‌های نوین

فناوری نوین، کلید پیاده‌سازی عملکردی مشابه مغز است و گروه‌های مختلفی نیز در دیگر نقاط جهان برای ایجاد فناوری‌های جدید در تلاش و تکاپو هستند. رئیس‌جمهور وقت ایالات‌متحده در سال ۲۰۱۳ (۱۳۹۲شمسی) طرحی را با پشتوانه ۴۰ میلیون دلار به سازمان سلامت ملی ایالات‌متحده ابلاغ کرد تا محققان به توسعه‌فناوری‌های جدید برای درک بهتر عملکرد مغز بپردازند. به‌منظور درک بهتر عملکرد مغز، فناوری رایانه‌ای باید در کنار دانش سلول‌های بنیادی، تصویربرداری و توسعه‌ دارویی قرار بگیرد.

کاربرد عملیاتی این مجموعه فوق‌العاده خواهد بود اما در حال حاضر نیز ما این توانایی را داریم تا عملکرد مغز را به‌مراتب بهتر از گذشته رصد کنیم. ایمپلنت‌های حساس به نور که در شبکیه‌ چشم قرار می‌گیرند، می‌توانند با ارسال سیگنال‌های الکتریکی به اعصاب بینایی، نابینایی و کم‌بینایی را بهبود ببخشند. ناشنوایی نیز به روش مشابهی قابل بهبود است.

یکی از شگفتانگیزترین فناوری‌های عرضه‌شده، سامانه‌ «برین‌گیت» (BrainGate) است که سال ۲۰۰۶ (۱۳۸۵شمسی) برای نخستین‌بار رونمایی شد. این فناوری که در مرحله‌ مطالعات بالینی است، کاشت ایمپلنت را در غشای حرکتی مغز ممکن می‌کند به‌طوری‌که سیگنال‌های الکتریکی تولیدشده از تفکرات بیمار را در مورد تحرک یکی از اندام‌ها دریافت می‌کند. رایانه، این سیگنال‌ها را پردازش می‌کند و به عضو مصنوعی می‌فرستد. با آموزش صحیح سیستم برای شناسایی سیگنال‌های درست از نادرست، بیماران خواهند توانست تا اندام‌های مصنوعی خود را مانند اعضای طبیعی بدن‌شان کنترل کنند.

پژوهشگران دانشگاه سن‌دیگو در کالیفرنیا گامی فراتر برداشته‌اند و از جریان الکتریکی برای پاک‌سازی بعضی از خاطرات بهره گرفته‌اند. آن‌ها نشان داده‌اند که فرکانس‌های مشخصی از امواج الکتریکی می‌توانند تغییراتی در سلول‌های عصبی مغز موش‌ها ایجاد کنند و باعث شوند موش‌ها بعضی از خاطرات گذشته‌ خود را فراموش کنند.

هرچه بیشتر درمورد اتصالات درون مغز تفحص کنیم، احتمال آن‌که بتوانیم تعامل بیشتری با آن برقرار کنیم هم افزایش می‌یابد. علوم اعصاب سریع‌تر از قبل در حال رشد است و همکاری‌های متعددی در جهان شکل‌گرفته است تا داده‌های حاصل از پژوهش‌ها را در کنار یکدیگر جمع کند. معمای مغز انسان، پژوهشگران، فلاسفه، پزشکان و حتی انسان‌های عادی را به خود جذب کرده است. اگر بتوانیم نحوه عملکرد آن را درک کنیم، شاید بتوانیم به پرسش‌های هزاران ساله‌ای درباره‌ انسان بهتر پاسخ دهیم. بااین‌حال، تلفیق فناوری‌های نوین و همکاری‌های بین‌المللی، گره‌های موجود در این مسیر را به‌آرامی باز می‌کند اما آیا این دستاورد نهایی می‌تواند ما را به ساخت مغزی دیجیتالی برساند که عملکردی مشابه مغز انسان داشته باشد؟

 

نقشه مغز

مغز را می‌توان به بخش‌های مجزایی تقسیم کرد که هرکدام عملکرد ویژه خود را دارند.

 

[Memory…]

حافظه

مخ

غشای مغزی بیشترین بخش مغز را تشکیل می‌دهد که خود شامل چهار ناحیه است. این بخش مسئول پیچیده‌ترین کارها مانند برنامه‌ریزی، به‌خاطرسپاری و بینایی است.

 

{Temperature and hydration}

دما و رطوبت

هیپوتالاموس

هیپوتالاموس، تعادل درون بدن را حفظ و پارامترهای حیاتی مانند دما و سطح رطوبت بدن را رصد می‌کند.

 

{Hormones}

هورمون‌ها

غده‌ هیپوفیز

این غده کوچک به هیپوتالاموس متصل است و هورمون تولید می‌کند. این بخش کوچک که به اندازه‌ی نخود است، به جای پالس‌های الکتریکی پیام‌های شیمیایی مخابره می‌کند.

 

{Perception}

ادراک

تالاموس

این بخش درواقع حلقه‌ ارتباطی بین بخش‌های ادراکی بدن و مغز است. همین بخش است که چرخه‌های خواب و بیداری را کنترل می‌کند.

 

{Sleep and dreaming}

خواب و رویا

پل دماغی

این بخش، رابط بین مخچه و قشر آن است و نقش بسیار مهمی در چرخه‌های خواب و رویا دارد.

 

{Breathing}

تنفس

بصل‌النخاع

کارهای غیرارادی بدن مانند تنفس، بلعیدن و تپش قلب، همگی در کنترل این بخش هستند.

 

{Connects nerves}

محل اتصال اعصاب

ساقه‌ مغز

مغز در این ناحیه به نخاع متصل می‌شود. این بخش از مغز شامل دو قسمت مهم است که پیش از این معرفی شدند: بصل‌النخاع و پل دماغی.

 

{coordinated movement}

حفظ تعادل

مخچه

این بخش که مغز کوچک نیز خوانده می‌شود، ناحیه‌ای است که تعادل بدن را حفظ و دستور کنترل اعضا را صادر می‌کند.

 

{visual and auditory systems}

بینایی و شنوایی

میان‌مغز

این ناحیه که زیر مرکز مغز پنهان شده، میزبان بخشی از مسیرهای پاداش مغز است و مسئول تقویت رفتارهای مثبت و همچنین اعتیاد است.

 

{information transfer}

انتقال اطلاعات

جسم پینه‌ای

این بخش که عنوانش «بدنه‌ سخت» معنی می‌دهد، صفحه عصبی عریضی است که دو نیمه‌ راست و چپ مغز را به هم متصل می‌کند و اطلاعات را از یک سمت به سمت دیگر انتقال می‌دهد.

 

دانش خواب

دانشمندان توانسته‌اند با رصد پالس‌های الکتریکی مغز در زمان خواب، از ماهیت این پدیده‌ رازآلود پرده بردارند.

 

[hypothalamus]

هیپوتالاموس

این بخش با نواحی مشخصی از مغز که مسئول فرآیند بیداری هستند، در ارتباط است و زمانی که می‌خوابیم، خاموش می‌شود.

 

[Superchiasmatic Nucleus]

هسته‌های سوپراکیاسماتیک

این بخش درواقع همان ساعت زیستی بدن ماست و از ۵۰ هزار نورونی تشکیل شده که مستقیم به چشمان ما متصلند؛ به‌طوری‌که وقتی در معرض نور قرار بگیرد، سیگنال قدرتمندی به مغز مخابره می‌کند.

 

{Thalamus}

تالاموس

در زمان‌های بیداری، تالاموس اطلاعات را به غشا می‌فرستد و در زمان خواب، عبور سیگنال‌ها را مختل می‌کند.

 

{Pineal gland}

غده پینه‌آل

این غده کوچک از طریق هیپوتالاموس به شبکیه متصل است. زمانی که محیط تاریک می‌شود، این غده ملاتونین آزاد می‌کند تا بدن با محیط تطبیق‌پذیری بیشتری پیدا کند.

 

{cerebral cortex}

غشای مغزی

بالاترین سطح عملکردهای مغز در انسان در آن انجام می‌پذیرد. بسیاری از این فعالیت‌ها در زمان خواب، غیرفعال می‌شوند اما در خلال رویا، بعضی از بخش‌های آن حتی نسبت به زمان بیداری نیز فعال‌ترند.

 

سطح۱

سطح۲

سطح۳

سطح۴

سطح۵

۲۲:۰۰

۲۳:۰۰

۰۱:۰۰

۰۲:۰۰

۰۳:۰۰

۰۴:۰۰

۰۵:۰۰

۰۶:۰۰

۰۷:۰۰

۰۸:۰۰

 

سطح اول

سطح اول، همان مرحله‌ گذار است. این مرحله بسیار گذراست و چند دقیقه بیشتر طول نمی‌کشد. پس‌ازاین‌که مغز خاموش شد، تنش موجود در اعضا نیز از میان برداشته می‌شود و ماهیچه‌ها آزاد می‌شوند.

 

سطح دوم

زمانی که فرد وارد این سطح می‌شود؛ سرعت تنفس، ضربان قلب و نیز دمای بدن افت محسوسی پیدا می‌کند. نیمی از زمان خواب در این مرحله سپری می‌شود.

 

سطح سوم

این سطح که به آن خواب عمیق نیز گفته می‌شود، با الگوی آرام امواج دلتا شناخته می‌شود و فعالیت موجود در ساقه مغز را به نمایش می‌گذارد.

 

سطح چهارم

ما تقریبا ۱۰ درصد از خواب شبانه خود را در این سطح عمیق می‌گذرانیم؛ تنفس بسیار آرام می‌شود و کمترین سطح حرکتی در عضلات به چشم می‌خورد. فشارخون نیز افت محسوسی می‌کند و فرآیند رشد و ترمیم بدن آغاز می‌شود.

 

سطح پنجم

تا پنج بار در خلال خواب شبانه، ما وارد سطح «حرکت سریع چشم» (REM) می‌شویم. در این سطح، مغز به سطح طبیعی فعالیت‌های خود بازمی‌گردد اما ما همچنان بی‌هوشیم و رویاهایی را می‌بینیم که بین پنج تا ۳۰ دقیقه به طول می‌انجامند.

 

مغز، از تولد تا کهنسالی

 

نوزاد

نوزاد انسان برای آن‌که بتواند از رحم مادر بیرون بیاید، قبل از زمانی متولد می‌شود که مغز، کامل شکل گرفته باشد و به همین دلیل است که در سال‌های نخست، رشد بسیار سریعی دارد. مطالعات انجام‌شده روی اتصالات بین اعصاب نشان می‌دهد که کودک دوساله، یک‌ونیم‌برابر فردی بالغ سیناپس عصبی دارد.

 

خردسال

سلول‌های پوششی که با نام «گلیا» شناخته می‌شوند، محافظت و تغذیه سلول‌های عصبی مغز را به عهده دارند. در دوره‌ کودکی این سلول‌ها رشد می‌کنند و به بخش‌های مختلف جابه‌جا می‌شوند. در دو تا سه سال ابتدای زندگی خردسال، ماده‌ سفید ساخته می‌شود که نقش محافظ مغز درحال‌رشد را به عهده دارد.

 

کودک

حوالی ده تا یازده‌سالگی، توسعه سریع اتصالات جدید مغز به پایان رسیده و بافت‌های مغزی شروع به جداشدن از یکدیگر می‌کنند. در این دوره به‌جای ایجاد مسیرهای عصبی جدید، مغز روی بخش‌هایی متمرکز می‌شود که تاکنون کاربرد بیشتری داشته‌اند و آن‌هایی را که دیگر موردنیاز نیست، به حال خود وامی‌گذارد.

 

نوجوان

تنظیم ساختار مغز از پشت آن آغاز می‌شود و با پیشروی به جلو، سال‌های نوجوانی را متاثر می‌کند. غشای پیش‌پیشانی که مسئول برنامه‌ریزی، قضاوت و کنترل احساسات است؛ آخرین بخشی است که تنظیم می‌شود. پژوهش‌ها نشان می‌دهد که ساعت زیستی افراد نابالغ متفاوت است؛ ازاین‌رو آن‌ها به‌طور طبیعی دیرتر به خواب می‌روند و بیدار می‌شوند.

 

جوان

در اوایل دهه‌ سوم زندگی، مغز تقریبا به کامل‌ترین شکل خود دست پیدا می‌کند؛ البته اتصالات جدید همچنان در حال شکل‌گیری هستند اما سرعت این فرآیند بسیار کمتر از دوران کودکی است. با فعال ماندن، تحریک و تعامل مغز، اتصالات کنونی تقویت می‌شوند و مسیرهای جدیدی نیز در خلال فرآیند یادگیری شکل می‌گیرند.

 

کهنسالی

آسیب‌های مغزی به‌آسانی‌ترمیم نمی‌شوند؛ بنابراین با بروز سالخوردگی، نشانه‌های ضعف در مغز پدیدار می‌شوند. از بین رفتن اتصالات یا تحلیل سیناپس‌ها منجر به افت عملکرد مغز می‌شوند. بسیاری از بیماری‌های کهنسالی مانند آلزایمر و پارکینسون حاصل همین آسیب‌ها هستند.

 

ثبت خاطرات

مغز انسان توانایی شگفت‌انگیزی در حفظ و نگهداری اطلاعات دارد.

 

[Sensory Memory]

حافظه حسی

بدن انسان دائما در معرض سیگنال‌های حسی است و بیشتر این اطلاعات در کسری از ثانیه از حافظه‌ ما پاک می‌شوند.

 

[Transfer]

انتقال

هیپوکمپوس اطلاعات دریافتی از حس‌های گوناگون را در کنار هم قرار می‌دهد تا تجربه‌ای واحد خلق کند. این بخش در کنار غشای مغز وظیفه غربالگری خاطرات را برعهده دارد.

 

[Short-Term…]

حافظه‌کوتاه‌مدت: حافظه کوتاه‌مدت می‌تواند بدون تلاش خاصی، هفت چیز را حدود ۲۰ تا ۳۰ ثانیه در خود حفظ کند. ایجاد الگوهایی مشخص برای به‌خاطر سپردن اطلاعات، مثلا بخش‌بندی شماره‌ی تلفن می‌تواند به این حافظه کمک کند تا چیزهای بیشتری را در خود نگه دارد.

 

[Acoustic…]

سیستم کدگذاری صوتی

حافظه‌ کوتاه‌مدت، اطلاعات را بر اساس ضرب‌آهنگ‌شان در خود نگه می‌دارد که به آن حافظه‌ صوتی هم گفته می‌شود. اگر می‌خواهید شماره‌ تلفنی را به‌خاطر بسپارید، آن را در ذهن خود بخوانید.

 

[Long-term…]

حافظه بلندمدت

هیپوکمپوس خاطرات را از حافظه‌کوتاه‌مدت به بلندمدت منتقل می‌کند. یکپارچه‌سازی بعضی از خاطرات، زمانی اتفاق می‌افتد که به خواب می‌رویم.

 

[Semantic …]

کدگذاری معنایی

خاطرات بلندمدت بیشتر به‌صورت مفهومی طبقه‌بندی می‌شوند. خاطرات دیگر به‌صورت آوایی ذخیره می‌شوند، امکان بازسازی و به یادآوری تجربیات را فراهم می‌کنند.

 

[Neuron Changes]

تغییرات نورون‌ها

اگر سیناپسی به‌طور متناوب مورد استفاده قرار بگیرد، تحریک‌پذیری آن افزایش می‌یابد، گیرنده‌های بیشتری تولید کرده و درنتیجه اتصالات محکم‌تری برقرار می‌کند.

 

[Consolidation]

تحکیم

زمانی که بخشی از یک خاطره شکل می‌گیرد، هرچه بیشتر به آن مراجعه و تکرار شود، استحکام بیشتری می‌یابد و قوی‌تر می‌شود.

 

[Recall]

بازخوانی

حافظه انسان، تجمعی است و اطلاعات را مانند قطعات جورچین در کنار هم قرار می‌دهد. خاطرات به‌صورت مجزا ذخیره نمی‌شوند بلکه با کمک بخش‌های مختلفی از مغز بازسازی می‌شوند.

 

[Implicit Memory]

حافظه تلویحی

این دسته از خاطرات نیاز به بازخوانی ندارند و بیشتر اعمال حرکتی هستند. این دسته از فعالیت‌ها با تمرین و تکرار در ضمیر ناخودآگاه نقش می‌بندند. فعالیت‌هایی مانند دوچرخه‌سواری یا نواختن یک ساز از این دسته خاطرات هستند.

 

[Explicit…]

حافظه روشن

این دسته از خاطرات از طریق ضمیر خودآگاه ما در دسترس قرار می‌گیرند. آن‌ها به‌صورت قسمت‌های مختلف در ذهن ثبت شده و به اتفاق یا مکانی خاص مرتبط می‌شوند. دانش و اطلاعاتی نیز که به دست می‌آوریم، در قالب مفاهیم در ذهن ما طبقه‌بندی می‌شوند.

 

[Recognition]

شناخت

مغز توانایی بسیار خوبی در مقایسه اطلاعات ورودی با آنچه از پیش در آن ذخیره‌شده است، دارد و به ما امکان می‌دهد تا به‌سرعت خاطرات گذشته را به یاد آوریم.

 

[Association]

همراهی

خاطرات به‌ندرت به‌صورت مجزا ذخیره می‌شوند. شناخت و بازخوانی اطلاعات هر دو فرآیندهایی هستند که خاطرات مرتبط را در ذهن زنده می‌کنند.

 

تصویربرداری از مغز

بیایید نگاهی بیندازیم به متداول‌ترین روش‌هایی که برای مطالعه مغز زنده به کار گرفته می‌شود.

 

سی‌تی (CT)

توموگرافی محاسباتی از تابش پرتو ایکس بهره می‌گیرد تا تصویر سه‌بعدی مغز را به دست دهد.  پرتوهای تابیده‌شده در بافت‌های مختلف، سرعت‌های متفاوتی دارند و با تحلیل آن‌ها می‌توان نقشه‌ای بر مبنای چگالی مغز تهیه کرد. این نوع تصویربرداری، اطلاعات ساختاری ویژه‌ای فراهم می‌کند که برای شناسایی تومورها بسیار مناسب است.

 

اف‌ام‌آرآی (fMRI)

تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی یا ام‌آرآی عملکردی، سطح اکسیژن موجود در خون را تشخیص می‌دهد و نقشه‌ی فعالیت مغز را به تصویر می‌کشد. زمانی که بخش‌هایی از مغز فعال‌تر شوند، نیاز آن بخش‌ها به خون افزایش می‌یابد و در تصاویر درخشان‌تر می‌شوند. این سیستم تصویربرداری هر دو ثانیه یک‌بار از کل مغز تصویربرداری می‌کند.

 

پت (PET)

توموگرافی تابشی پوزیترون از ایزوتوپ‌های پرتوزای مطمئنی بهره می‌گیرد تا فعالیت مغز را اندازه‌گیری کند. جریان خون در مغز با رصد سطح قند یا اکسیژن تعیین می‌شود. برچسب‌های پرتوزایی که به مولکول‌های قند و اکسیژن زده می‌شوند، تابش ضعیفی از خود متصاعد می‌کنند و زمانی که خون به مناطق فعال مغز می‌رسد، آن نقاط درخشش ویژه‌ای پیدا می‌کنند.

 

ای‌ای‌جی (EEG)

الکتروانسفالوگرام‌ها از سیگنال‌های الکتریکی تولیدشده در اعصاب استفاده می‌کنند تا نقشه‌ای از عملکرد مغز ارائه دهند. الکترودهایی که روی جمجمه نصب می‌شوند، فعالیت رشته‌های عصبی را تشخیص می‌دهند. این روش بخصوص برای مطالعات مربوط به الگوهای خواب بسیار مفید است.

 

آسیب‌های مغزی

صدمات مختلف، مغز را که به شکل‌های متنوعی تحت‌تاثیر قرار می‌دهند.

 

[Severe]

شدید

اگر آسیب واردآمده شدید باشد، بیمار نسبت به عوامل محیطی مانند نور و صدا واکنش نشان نخواهد داد. چشم‌ها بسته می‌مانند و به هیچ کلامی پاسخ داده نمی‌شود.

 

[Moderate]

متوسط

زمانی که شدت صدمه در این حد قرار بگیرد، قدرت ارتباط کلامی در بیمار رو به زوال می‌رود و به‌طور عادی به درد پاسخ نخواهد داد.

 

[Mild]

خفیف

این دسته از صدمات بیمار را کمی گیج می‌کنند اما او همچنان هشیار باقی می‌ماند و توانایی برقراری گفت‌وگو را دارد.

 

[Focal Injury]

صدمات کانونی

جمجمه محکم است اما ضربه مستقیم به سر می‌تواند منجر به تورم و خونریزی شود، حتی خود مغز را درگیر کند. آسیب‌های ناشی از این صدمات معمولا در یک نقطه باقی می‌مانند.

 

[Frontal Lobe]

لوب پیشانی

صدمات وارد به این ناحیه روی عملکردهای شناختی فرد مانند توانایی استدلال، تعامل با دیگران و تعدیل احساسات اثر می‌گذارد.

 

[Temporal Lobe]

لوب گیجگاهی

درصورتی‌که این بخش آسیب ببیند، خاطرات طولانی‌مدت و بصری فرد مختل می‌شود و اطلاعات دریافت‌شده از حواس پنجگانه نیز به‌درستی پردازش نخواهد شد.

 

[Diffuse Injury]

آسیب‌های گسترده

زمانی که خون‌رسانی به مغز درنتیجه‌ ضربه یا عفونت‌هایی مانند مننژیت مختل شود، مناطق بسیاری از مغز آسیب می‌بینند.

 

[Parietal lobe]

لوب جداری

صدمات وارده به این بخش، آگاهی فضایی و توانایی تجسم سه‌بعدی محیط را در فرد مختل می‌کند. این اختلال می‌تواند به‌صورت بصری یا لمسی بروز کند.

 

[Occipital lobe]

لوب قدامی

این منطق از مغز، مسئول بینایی است؛ بنابراین آسیب‌های جدی به این بخش موجب اختلال موقت در بینایی یا نابینایی دائمی می‌شوند.

 

[Can the brain heal?]

آیا مغز ترمیم می‌شود؟

ظرفیت مغز انسان برای بازسازی محدود است؛ بنابراین زمانی که بخشی از آن آسیب ببیند، جایگزین نخواهد شد و به جای آن، سلول‌های آسیب‌دیده از آن منطقه رانده می‌شوند و سلول‌هایی موسوم به آستروسیت‌ها مانند دیوار، بخش خالی‌شده را از دیگر قسمت‌ها جدا می‌کنند؛ حفره‌ ایجادشده سپس با مایع پر می‌شود. بااین‌حال، همه‌چیز از دست نرفته است! درست است که مغز نمی‌تواند بخش ازدست‌رفته را ترمیم کند اما توانایی شگفت‌انگیز آن باعث می‌شود خود را با شرایط جدید تطبیق دهد. اعصاب در جای خود صلب قرار نگرفته‌اند و به همین دلیل پس از بروز آسیب، مسیر خود را تغییر می‌دهند تا بخش آسیب‌دیده را دور بزنند. البته شدت و مکان آسیب، تاثیر مهمی روی عملکرد مغز پس از فرآیند ترمیم دارد اما با ایجاد مسیرهای جدید، عملکرد مغز به‌تدریج بهبود می‌یابد.

 

در مرزهای دانش عصب‌شناسی نوین چه خبر است؟

درک عملکرد مغز یکی از مهم‌ترین کارهای پیش روی محققان حوزه‌ علوم اعصاب است. این موضوع نیازمند همکاری دانشمندان علوم اعصاب، زیست‌شناسی، رایانه و فناوری‌های پیشرفته است تا در کنار یکدیگر، از رمز و رازهای مغز پرده بردارند.

 

چگونه مغز بسازیم؟

پروژه‌های بزرگ در تلاشند تا عملکرد مغز را در هر سطح ممکن شبیه‌سازی کنند

[DNA …]

دی‌ان‌ای و انتقال‌دهنده‌های عصبی

در سطح مولکولی، محققان می‌توانند ساختار سه‌بعدی پروتئین‌ها را به کمک رایانه دست‌کاری کنند و اثر حاصل از این تغییرات را مدل‌سازی کنند. چنین فنونی در طراحی دارو بسیار کارآمدند.

 

[Nerves…]

اعصاب و سلول‌های حمایتی

به‌منظور درک بهتر عملکرد مغز، بسیاری از محققان رویکرد پایین به بالا را برگزیده‌اند و امیدوارند که با خلق نورون‌های دیجیتالی، شبکه‌ پیچیده مغز را شبیه‌سازی کنند.

 

[Neural…]

مسیرهای عصبی

بعضی پروژه‌ها در تلاشند تا اتصالات موجود در مغز انسان را نشان دهند و تصویری سه‌بعدی از آن به دست بیاورند. بعضی نیز در تلاشند تا فرآیندها را شبیه‌سازی کنند و اجازه دهند که رایانه، خود شبکه را ایجاد کند.

 

[Lobes…]

لوب‌ها و ساخت‌ها

شبیه‌سازی‌ها این امکان را ایجاد می‌کنند تا اطلاعات دریافتی از مناطق مختلف مغز یکپارچه شوند و محققان بتوانند تعاملات موجود در بخش‌های مختلف را بررسی کنند و حتی جالب‌تر، بخشی را جدا و به‌طور مجزا بررسی کنند.

 

[Whole…]

مغز

سال ۲۰۱۳ (۱۳۹۲شمسی)، ابررایانه «کی» نشان داد که می‌توان به اندکی از ظرفیت مغز دست یافت اما برای دستیابی به ظرفیت بیشتری از عملکرد مغز، پردازنده‌های بسیار پیشرفته‌تری موردنیاز است.

 

چگونه ذهن را کنترل کنیم؟

تجهیزات ساده و نرم‌افزارهای پیچیده رایانه‌ای باعث شده‌اند تفکرات ما به اینترنت راه یابند.

 

[EEG..]

ثبت نوار مغزی

زمانی که فرد مخابره‌کننده در خلال بازی رایانه‌ای، تصمیم می‌گیرد که توپی شلیک شود؛ سیگنالی در مغز او ایجاد می‌شود که به وسیله گیرنده ثبت می‌شود.

 

[Signal…]

بررسی سیگنال

رایانه، سیگنال را با الگوهای موجود تطبیق می‌دهد.

 

[Wireless…]

مخابره بی‌سیم

نیازی نیست که دو مغز با یکدیگر اتصال فیزیکی داشته باشند. می‌توان سیگنال دیجیتالی را روی شبکه اینترنت مخابره کرد.

 

[TMS]

تحریک مغناطیسی

سامانه‌ تحریک مغناطیسی، سیگنال را به فرد دریافت‌کننده انتقال می‌دهد.

 

[Push …]

فشردن کلید

سیگنال‌های مصنوعی، گیرنده را ترغیب می‌کنند تا کلید مشخصی را فشار دهد. فشردن این کلید، باب میل مخابره‌کننده بوده و بنابراین، او بازی را می‌برد.

 

[Mind Control]

پدیده کنترل ذهنی

محققان دانشگاه واشنگتن در پژوهش درخشان سال ۲۰۱۳ (۱۳۹۲شمسی)، دو مغز انسانی را به یکدیگر متصل کردند و از طریق یک بازی ویدئویی، ارتباطی بین آن‌ها را ایجاد کردند.

در این بازی ویدئویی، شهر زیر موشک‌باران راهزنان قرار داشت و بازیکن اول (فرد مخابره‌کننده) ‌باید این حمله را مختل می‌کرد. او نظاره‌گر تصویر بود اما صفحه‌کلیدی در اختیار نداشت تا شلیک را انجام دهد. بازیکن دوم که در اتاق دیگری مستقر بود، صفحه‌کلید در اختیار داشت و بدون این‌که به تصویر دسترسی داشته باشد، در انتظار پیام ارسالی بازیکن نخست بود. زمانی که بازیکن نخست به فشردن یک کلید و درنتیجه شلیک توپ اندیشید، بازیکن دوم هم در کسری از ثانیه، صفحه‌کلید را فشرد و بازی با موفقیت به پایان رسید.

نوار مغزی بازیکن نخست نشان داد که وقتی او به شلیک توپ اندیشید، سیگنال مشخصی در محدوده‌ی امواج مو (μ) ایجاد شد؛ به دنبال آن سیگنالی در شبکه بی‌سیم مخابره شد و به بازیکن دوم رسید. بازیکن دوم که کلاهخود مخصوصی به سر گذاشته بود، سیگنال الکتریکی را دریافت کرد و درنتیجه تحرکات مغناطیسی خارجی در ناحیه مشخصی از مغز که مسئول انقباضات دست راست است، آن را عملیاتی کرد. درواقع سیگنال الکتریکی مخابره‌شده از طرف بازیکن اول، به‌صورت میدان مغناطیسی درآمد و با ایجاد فعالیت الکتریکی در مغز فرد دوم، به فشردن کلید انجامید.

 

[Decoding …]

رمزگشایی از مغز

برنامه‌های رایانه‌ای می‌توانند فرابگیرند تا چطور با رمزگشایی داده‌های دریافتی از مغز، افکار ما را بخوانند.

 

[Training…]

تصاویر آموزشی

با بهره‌گیری از مجموعه‌ای از تصاویر در کنار واکنش‌های ثبت‌شده از مغز در تصاویر ام‌آرآی، می‌توان برنامه را آموزش داد.

 

[Fmri]

ام‌آر‌آی عملکردی

از تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی استفاده می‌شود تا فعالیت بخش‌های مختلف مغز مورد ارزیابی قرار بگیرد.

 

[Voxel…]

داده‌های حاصل از ام‌آر‌آی عملکردی به‌صورت الگوهای وکسل (voxel) در شبکه‌های سه‌بعدی اطلاعات ذخیره می‌شوند.

 

[TRAINING]

آموزش

 

[Testing]

ارزیابی

 

[Test image]

ارزیابی تصویر

وقتی تصویر جدیدی به سوژه نشان داده می‌شود، نرم‌افزار در بانک داده‌های خود به جست‌وجوی نزدیک‌ترین گزینه می‌پردازد.

 

[Identification[

شناسایی

اگر نرم‌افزار نتواند تطبیق دقیقی بیابد، از الگوریتم‌های خود بهره می‌گیرد تا بهترین تخمین را با توجه به داده‌های موجود پیشنهاد کند.

 

[A machine that can read your mind[

ماشینی که می‌تواند ذهن شما را بخواند

آیا تابه‌حال پیش‌آمده که آرزو داشته باشید فرد دیگری بتواند آنچه را شما می‌بینید، ببیند؟ گروهی از محققان دانشگاه برکلی-کالیفرنیا برنامه‌ای طراحی کرده‌اند که می‌تواند فیلمی را که دیده‌اید، با توجه به امواج مغزی‌تان حدس بزند. این برنامه قادر است تا تصویر دقیقی را از آنچه دیده‌اید، نشان دهد و همچنین تصاویر متحرک درون مغز شما را به نمایش بگذارد.

داوطلبان حاضر در این پژوهش ساعت‌ها فیلم و کلیپ تماشا کردند و در خلال هر یک، به کمک ام‌آرآی عملکردی (fMRI) از فعالیت‌های مغزشان تصویربرداری شد. در ادامه به برنامه یاد داده شد که چطور فعالیت‌های مغزی را به تصاویر دریافتی مرتبط سازد.

زمانی که الگوهای جدیدی از تصاویر ام‌آرآی عملکردی به برنامه داده شد، برنامه توانست با مقایسه‌ی این داده‌ها و اطلاعات موجود، سوژه‌ جدید را حدس بزند و نتیجه را پیشنهاد کند. تصاویر پیشنهادی نرم‌افزار بسیار نزدیک به تصاویر ویدئوهای اصلی بودند.

 

چطور می‌توانیم به شبکه آی‌وایر بپیوندیم؟

تمامی شهروندان می‌توانند در این پروژه سهیم باشند. این بازی که به وسیله آزمایشگاه سئونگ در ام‌آی‌تی (MIT) توسعه یافته است، افراد را قادر می‌سازد تا به گسترش نقشه نورون‌ها در شبکیه‌ی چشم کمک کنند. تمام چیزی که نیاز دارید، یک دستگاه رایانه با اتصال اینترنتی است.

این بازی سه‌بعدی درون مکعب انجام می‌شود. مکعب به بخش‌های متعددی تقسیم شده و درون هر بخش، مسیر یک نورون قرار دارد. تمام کاری که شما باید انجام دهید، تفحص در این بخش‌ها و جست‌وجوی مسیر برای سلول‌های عصبی درون مکعب است. هرچه پیش‌تر بروید، مدلی سه‌بعدی از کاری که انجام می‌دهید در کنار صفحه نقش می‌بندد و مدل پیشنهادی شما با دیگر بازیکنان تطبیق داده می‌شود. درنهایت شما امتیاز کسب می‌کنید و می‌توانید در رقابت‌های هفتگی سهیم باشید. با هر بار بازی، نقشه‌ای واقعی از نورون‌ها در شبکیه‌ چشم انسان ترسیم می‌شود و با این کار می‌توانید در پروژه‌ای علمی سهیم باشید.

 

پرورش مغز

سال ۲۰۱۳ (شمسی۱۳۹۲)، محققان آکادمی علوم اتریش به دستاورد فوق‌العاده‌ای رسیدند و توانستند بخشی از مغز انسان را در آزمایشگاه کشت دهند. با تلفیق سلول‌های بنیادین جنین و سلول‌های بنیادی استخراج‌شده از پوست انسان بالغ، این گروه توانست که نورواکتودرم، ساختار امبریونی سازنده مغز و نخاع را را بازسازی کند. سلول‌ها سپس در داربست‌هایی سه‌بعدی قرار داده شدند که امکان رشدشان را فراهم می‌کرد تا با استفاده از مواد مغذی و اکسیژن تکوین شوند. حاصل این تلاش، تشکیل ماده‌ای مشابه مغز جنین ۹ هفته‌ای بود. بعضی از آن‌ها سلول‌های رنگدانه شبکیه‌ چشم، بعضی غشا و بعضی نیز هیپوکمپوس را در خود جای داده بودند. این مغزهای کوچک هرچند به‌اندازه‌ یک نخود و فاقد توانایی تفکر هشیار بودند اما ابزاری بسیار ارزشمند در اختیار محققان قرار دادند.

نظرات ۰

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *