مغز همه موجودات زنده پیوسته با اطلاعاتی که از محیط پیرامون خود با اندامهای حسی مثل چشم، گوش، بینی و پوست به دست میآورد، بمباران میشود. تمام این اطلاعات ابتدا در بخش کورتکس مغز که مسوولیت رفتارهای ارادی ما را برعهده دارد، پردازش میشود. سپس مراحل پردازش پیچیدهتر می شود. اطلاعات از میان بخش های داخلی مغزی متعدد فیلتر میشود و در نهایت قشر حرکتی (Motor cortex) مغز فرمان حرکات متناسب با موقعیت را صادر میکند. به این ترتیب است که مثلا مگسی را از خود دور یا به سمت غذا حرکت میکنیم. به علاوه حالتهای درونی میتوانند به طور کامل و بدون ورود حسی و بدون رفتار خروجی، مثل رویاپردازی روزانه یا مرور وقایع طول روز در ذهن، در مغز ایجاد شوند. با پژوهشهای حوزه علوم اعصاب روی شبکههای مغز و رفتار حیوانات، نگرش ما نسبت به ماهیت حالتهای داخلی مغز پیوسته تغییر میکند. در گذشته حیوانات را نوعی ماشینهای پاسخ دهنده به محرک میدانستند. اما اکنون متوجه شدهایم که اتفاقات جالبی در مغز حیوانات رخ میدهد که شیوه پردازش ورودیهای حسی را تغییر میدهد و درنتیجه رفتار خروجی حیوانات تغییر میکند.
دو سال قبل دانشمندان در جریان پژوهشی قصد داشتند نقشهای از فعالیت مغز لارو گورخرماهیهای در حال شکار طعمه به دست آورند و تغییرات ارتعاشات عصبی را مشاهده کنند.
سایز لارو گورخرماهی به سختی به اندازه یک مژه میرسد. آنها لاروهای گورخرماهی و غذای شان را در ظرف آبی زیر میکروسکوپ قرار دادند و در طول آزمایشها به سلولهای سایکیک (psychic cells) برخوردند؛ سلولهایی که ارتباط فیزیکی با هم ندارند، ولی روی هم تاثیر می گذارند. آنها دریافتند تعدادی از نورونها زمانی را که لارو برای شکار و بلعیدن طعمه حرکت خواهد کرد، پیشبینی میکنند. حتی بعضی از این نورونها چند ثانیه قبل از این که چشم لارو روی طعمه ثابت شود، فعال میشدند. اما مشاهده عجیبتر دیگر، فعال شدن طولانی مدت و غیرمعمول سلولهای سایکیک بود. بیشتر نورونها به طور معمول چند ثانیه فعال میشوند، اما این سلولها چند دقیقه فعال بودند.
پس از تحقیقات بیشتر متوجه شدند این سلولها احتمالا حالت کلی مغز را تنظیم میکنند؛ الگویی از فعالیت طولانی مدت مغز که لاروها را تحریک میکند تا مشغول غذایی شوند که روبهرویشان است. پیش از این نیز دانشمندان با رویکردهای متنوع و در طول مطالعه روی گونههای مختلف جانوران متوجه شده بودند، حالات داخلی مغز، نحوه رفتار یک حیوان را تغییر میدهد. حتی وقتی هیچ چیزی در محیط بیرونی او تغییر نکرده باشد.
گروهی از دانشمندان فرضیههایی را درباره کدنویسی حالتهای مغز توسط نورونها، بیان میکنند. عصبشناسان به دنبال درک زبان کدنویسی مغز هستند. آنها میدانند چگونه شبکهای از سلولها به مشاهدات حسی از طریق حواس پنجگانه پاسخ میدهد و چطور رفتارهایی مثل صحبت و حرکت کردن حاصل میشود. اما جزئیات اینها را نمیدانند. فعالیتهای بسیار گسترده عصبها مانع تشخیص الگویی میشود که نشان دهنده حالتها و تمایلات حیوانات است و به کنترل رفتار آنها کمک میکند.
روشهای جدید به دانشمندان امکان ردیابی پالس الکتریکی در مغز را با جزئیات بسیار خوبی میدهد تا رفتار طبیعی حیوان در بازه زمانی میلی ثانیه مشخص شود و از دادههای به دست آمده یک الگو ترسیم شود. این الگوها میتوانند علامت مشخصه بی شمار حالتهای داخلی باشند که مغز امکان انتخاب بین آنها را دارد. اکنون چالش این است که دریابیم این حالات چه معنی دارد.
چارچوبهای مغز
برخلاف نظر گروهی از روانشناسان که معتقدند چون حیوانات نمیتوانند احساسات خود را با کلمات بیان کنند، پس این احساسات به هیچ جه قابل بررسی نیستند، گروهی از پژوهشگران نظریهای برای حالتهای داخلی مغز که نشان دهنده احساسات است، ارائه کرده و حدس میزنند مشخصههایی درباره ارتباط بین مدارهای عصبی با حالتهای درونی مغز وجود دارد.
آنها معتقدند یک حالت درونی مغز از محرک اصلی که آن را ایجاد کرده است، باید بیشتر دوام بیاورد. از این رو ویژگی اصلی یک مدار عصبی که تحت چنین شرایطی است، استمرار آن است. اگر شما در کوه یک مار ببینید، ممکن است از ترس ناگهان بپرید. ده دقیقه بعد حالت درونی مغز شما از ترس هنوز فعال است و اگر یک تکه چوب در مسیرتان ببینید، ممکن است دوباره بپرید.
دیگر مشخصههای حالت درونی، تعمیمپذیری و مقیاسپذیری است. تعمیمپذیری یعنی محرکهای مختلف باید بتوانند وضعیتهای مشابهی را تحریک کنند و مقیاسپذیری به این معنی که محرکهای مختلف میتوانند حالتهایی با دوام متفاوت ایجاد کنند.
ساخت فناوریهای عصبی برای این آزمایشها از سال ۱۳۹۳شمسی/ ۲۰۱۴میلادی شروع شد و ثبت فعالیت تعداد زیادی نورون را همزمان و به صورت مجزا ممکن میکرد. یکی از این ابزارها کاوشگرهای نوروپیکسل هستند؛ اینها به شکل سوزنی به طول ده میلیمتر هستند که میتوانند به صورت مستقیم فعالیت صدها نورون را در مناطق مختلف مغز ثبت کنند. همینطور با کمک تصویربرداری کلسیمی میتوان فعالیت دهها هزار تک نورون فعال در مغز را نشان داد. کلسیم، نشان دهنده مولکولی برای بسیاری از سلولها و به ویژه نورونهاست. نورونها در حالت معمول سطح کلسیم پایینی دارند و با ایجاد پالس الکتریکی، کلسیم داخل سلول جاری میشود. با نشاندار کردن کلسیم با مولکولهای فلوئورسنت، نحوه ارتباط نورونها با یکدیگر نمایش داده میشود. مانیتورهای جدید به صورت خودکار رفتار آزادانه حیوانات را برای چند ساعت ضبط و حرکات را در هر میلی ثانیه تحلیل میکند. سپس این رفتارها با دادههای عصبی ثبت شده، تطبیق داده میشود تا فعالیت لحظه به لحظه مغز با هر حرکت مشخص شود.
به این ترتیب عصبشناسان به کمک پیشرفتهای یادگیری ماشین، هوش مصنوعی و ابزارهای ریاضی جدید، از گیگابایتها و ترابایتهای دادهای که در این آزمایشها تولید میشوند، سر درمیآورند و الگوهای فعال سازی عصبی نمایانگر حالات دورانی مغز را استخراج میکنند.
تصویر کلی عملکرد مغز
دانشمندان علوم اعصاب به بررسی نورونهای قسمتهای مختلف مغز که فعالیت مداومی دارند، میپردازند. لارو گورخرماهیها با ۸۰ هزار سلول مغزی پیچیدگی کمتری نسبت به مگسها دارد. به علاوه جنین این ماهی شفاف است و فعالیت تمام نورونها همزمان با هم با استفاده از تصویربرداری کلسیمی قابل مشاهده است. آنها یک میکروسکوپ فلورسانسی را بالای ظرف آزمایشگاهی که لارو در آن شنا میکند، قرار دادند تا با هر حرکت لارو و فعال شدن هر نورون عکسبرداری کند. به علاوه همزمان فیلمبرداری نیز کردند. هر فیلم ۹۰ دقیقهای معادل ۵/۴ ترابایت داده است که میتوان ثانیه به ثانیه هر حرکت را به فعالیتی عصبی مطابقت داد. دانشمندان متوجه سه گروه نورون در مغز لاروها شدند: آنهایی که همیشه در موضع شکار فعال است، آنهایی که هنگام شناسایی محیط فعال میماند و گروه سوم که با تغییر موقعیت ماهی، برای لحظهای فعال میشود. با کمال تعجب مشاهده شد گرسنگی روی حالتهای ماهی که هر چند دقیقه یک بار تغییر میکند، تاثیری ندارد.
عصب شناسانی که با جانوران تکامل یافته تری کار میکنند، نمیتوانند تمام مغز را یکباره تحت نظر بگیرند. اما با شبکههای گستردهای که در مغز توزیع شده، میتوانند بروز حالتهای داخلی مغز را پیدا کنند. در آزمایش موشها، با استفاده از تصویربرداری کلسیمی فعالیت هزاران نورون و با وارد کردن یک تک الکترود نوروپیکسل در مغز فعالیت صدها نورون را ثبت کردند.
در پژوهشی که سال گذشته منتشر شد، عصبشناسان با کاوشگرهای نوروپیکسل فعالیت ۲۴هزار نورون را در ۳۴ بخش از قشر مغز موشهای تشنهای که از فواره، آب لیس میزدند، ثبت کردند و سیگنالهای مربوط به حالت مغز از تشنگی و رفتار لیس زدن را به دست آوردند. آنها متوجه شدند نورونهای سیگنال دهنده این حالت در کل مغز فعال هستند و فقط به هیپوتالاموس که نورونهای تشنگی به آن اختصاص دارند، محدود نیستند. در تحقیقی دیگر عصبشناسان متوجه شدند وقتی موش ها مشغول کاری میشوند، نورونها در سراسر مغزشان فعال هستند. اما بخش بزرگی از این فعال شدن، ربطی به کاری ندارد که آن موش انجام میدهد. بعضی از آنها مربوط به حرکات موش هستند. اما حدود دو سوم این فعال شدنها ارتباطی با حرکات و اعمال موش ندارد و ممکن است مربوط به حالتهای داخلی مغز باشد.
هنوز برای فهمیدن احساسات حیوانات راه زیادی را باید طی کنیم و پژوهشهای علمی در سراسر دنیا ما را به این هدف نزدیک میکند.
زیر نظر گرفتن مغز مگس آماده برای جفتیابی
در پژوهشی دیگر دانشمندان رفتار مگسها را بررسی کردند. مگسها مغز کوچکی با صدهزار نورون دارند. مگسهای نر در حضور مگس ماده صداهای خاصی تولید میکنند و با دیگر مگسهای نر رفتار پرخاشگرانهای دارند. دانشمندان به دنبال یافتن فعالیت عصبی آغازکننده رفتارهای جفتیابی و مبارزهای، نورونهای پی۱ (P۱) را در بخشی از مغز که کنترل رفتارهای اجتماعی را برعهده دارد، پیدا کردند.
این نورونها خیلی زود برانگیخته میشود و به تنهایی نمیتواند مسوول حفظ یک حالت درونی باشد. با استفاده از تکنیکهای تصویربرداری و تحلیلهای رفتاری، دانشمندان متوجه فعال شدن سلولهای دیگر در بخش دیگری از مغز به دنبال فعال شدن نورونهای پی۱ شدند.
این سلولهای تابع، سریع فعال و غیرفعال میشود، اما خوشهای از آنها به نام نورونهای pCd چند دقیقه فعال باقی میماند.
دانشمندان پروتئینهایی حساس به نور را در این سلولهای تابع قرار دادند و آنها را با تابش نور لیزر غیرفعال کردند، همزمان فعالیت پی۱ها هم ناپدید شد. سپس پی۱ها را کنار گذاشتند و پی سی دی ها (pCd) را فعال کردند، اما این بار اتفاقی نیفتاد. نورونهای پی سی دی به پی۱ها وابسته است و با یک برانگیزش، برای مدت طولانی فعال باقی میماند.
دانشمندان این آزمایش را روی موشها با صد میلیون نورون نیز تکرار کردند. آنها گروه خاصی از نورونها را در هیپوتالاموس پیدا کردند، که درست مانند نورونهای پی سی دی بودند و با احساس ترس فعال میشدند.
زمانی که موشهای آزمایشگاهی برای چند ثانیه در کنار موش صحرایی (Rat) قرار میگرفتند، دقایقی به دیوار میچسبیدند و حالت تدافعی میگرفتند. در این مدت نورونهای تازه کشف شده، فعال بودند. دانشمندان دوباره با نور این نورونها را فعال و غیرفعال کردند و رفتار چسبیدن به دیوار و رهاکردن دیوار پشت سر هم تکرار میشد؛ حتی بدون وجود موش صحرایی!
مغز پرمشغله!
بسیاری از عصبشناسان حجم بالای دادههای به دست آمده از چنین آزمایشهایی را بزرگ ترین عامل کند کردن تحقیقات میدانند. مهم نیست مدل حیوانی چقدر پیچیده باشد؛ مثلا کرم باشد یا ماهی یا مگس یا موش. سوال اینجاست که چطور تمام مغز حالتهای داخلی را سازماندهی میکند. گروهی از پژوهشگران دریافته اند که حتی مغز کرم الگانس که فقط ۳۲ نورون دارد، مشخصههایی از حالتهای داخلی مغز را نشان میدهد که رفتارهای مشخصی را هدایت میکند. مغز کرم دو دسته نورون همیشه فعال دارد که بیحرکتی یا حرکت هدفمند کرم را کنترل میکنند. آنها توانستهاند مدارهای مغزی این دو حالت و تغییر از حالتی به حالت دیگر را شناسایی کنند.
درک این که چگونه یک حالت خاص در مغز ظاهر میشود، مزایای بالینی زیادی دارد. برای مثال کسانی که درد را در مدلهای حیوانی بررسی میکنند، به آزمایشهای استانداردی مانند مشاهده زمانی که موش پنجه خود را از یک ظرف داغ برمی دارد، متکی هستند. این حرکت منعکس کننده جنبههای محافظتی از درد است، اما درک واقعی از درد نیست.
روزنامه جام جم، شماره 5737، 1 شهریور 1399
