آیا ما واقعاً می دانیم مغز چگونه کار می کند؟

در دهه‌های اخیر، پیشرفت‌های قابل توجهی در درک عملکرد پیچیده مغز صورت گرفته است و محققان اطلاعات زیادی در مورد شبکه های عصبی و عناصر تشکیل دهنده آن کشف کرده اند.

به گزارش تکناک، با این وجود، مجموعه کاملی از سؤالات مهم بی پاسخ مانده اند و در نتیجه، مغز همچنان یکی از اسرار بزرگ و وسوسه انگیز علم است.

شاید یکی از آزاردهنده ترین سوالات در جهان درک ما از مغز به عنوان یک سیستم باشد. دانشمندان هنوز تا حد زیادی در مورد چگونگی عملکرد مغز به عنوان شبکه ای از اجزای متقابل، در مورد نحوه همکاری همه اجزای عصبی و به ویژه نحوه پردازش اطلاعات بین این شبکه پیچیده از نورون ها، نا‌آگاه هستند.

تحقیق انقلابی در مورد یک ارگانیسم ساده: کرم سی. الگانس

اکنون گروهی از دانشمندان علوم اعصاب و فیزیکدانان دانشگاه پرینستون با مطالعه بر روی مغز یک کرم بسیار کوچک اما همه جا حاضر به نام Caenorhabditis elegans ،‌ به روشنگری در مورد چگونگی جریان اطلاعات در مغز رسیده‌اند.

جزئیات این آزمایش در شماره اخیر مجله نیچر شرح داده شده است. این گروه متشکل از فرانچسکو رندی، سوفی دوالی و آنوج شارما بود و توسط اندرو لیفر، عصب شناس و فیزیکدان رهبری می شد.

لیفر گفت: مغز هیجان انگیز و مرموز است. گروه ما به این سوال علاقه مند است که چگونه مجموعه ای از نورون ها، اطلاعات را پردازش کرده و انجام یک عمل را اجرا می کنند.

ویدئو بالا اندازه‌گیری فعالیت عصبی را در سر کرم نشان می‌دهد، زیرا نورون‌های منفرد به صورت نوری در یک زمان تحریک می‌شوند. هنگامی که کلمات تحریک شده ظاهر می شوند، نورون موجود در خطوط متقاطع تحریک می شود. هنگامی که نورون ها فعال می شوند در این تجسم قرمز تیره به نظر می رسند. سرعت ویدیو 4 برابر است

لیفر افزود: علاقه به این سوال پیامدهای گسترده ای دارد. درک اینکه چگونه شبکه ای از نورون ها کار می کنند، نمونه ای خاص از یک دسته گسترده تر از سوالات در فیزیک بیولوژیکی است، یعنی اینکه چگونه پدیده های جمعی از شبکه های سلول ها و مولکول های متقابل پدید می آیند. این حوزه تحقیقاتی برای بسیاری از موضوعات مرتبط با فیزیک بیولوژیکی و همچنین فناوری‌های پیشرفته معاصر مانند هوش مصنوعی، پیامدهایی دارد.

اولین قدم در پاسخ به این سوال که چگونه اطلاعات از طریق شبکه ای از نورون های متقابل پردازش می شوند، مستلزم آن بود که لیفر و گروهش ارگانیسم مناسبی را پیدا کنند که به راحتی در آزمایشگاه قابل دستکاری باشد. معلوم شد که این ارگانیسم یعنی  سی. الگانس که یک کرم غیر انگلی یا کرم گرد است که چندین دهه است که توسط دانشمندان مورد مطالعه قرار گرفته و به عنوان یک ارگانیسم ژنتیکی در نظر گرفته شده است،‌ برای این کار مناسب است. ارگانیسم‌ها معمولاً در آزمایشگاه برای کمک به دانشمندان در درک فرآیندهای بیولوژیکی استفاده می‌شوند، زیرا آناتومی، ژنتیک و رفتارهای آنها به خوبی شناخته شده است.

تکنیک های نوآورانه در نقشه برداری مغز و اپتوژنتیک

طول این کرم تقریباً یک میلی متر است و در بسیاری از محیط های غنی از باکتری یافت می شود. در این ارگانیسم دارای یک سیستم عصبی از تنها 302 نورون در کل بدن خود است که 188 تای آن در مغز او قرار دارد.

لیفر گفت: مغز انسان صدها میلیارد نورون دارد. بنابراین مطالعه این کرم ها بسیار ساده تر است. در واقع این کرم‌ها برای آزمایش عالی هستند، زیرا تعادل درستی بین سادگی و پیچیدگی ایجاد می‌کنند.

لیفر افزود که مهمتر از همه، سی. الگانس اولین موجودی بود که سیم کشی مغز او به طور کامل نقشه برداری شده است. این بدان معناست که دانشمندان یک نمودار جامع یا نقشه از تمام نورون‌ها و سیناپس‌ها که مکان‌هایی هستند که نورون‌ها در آنجا به طور فیزیکی به نورون‌های دیگر متصل می‌شوند و با آنها ارتباط برقرار می‌کنند، تهیه کرده‌اند. این حوزه در اصطلاح علوم اعصاب، کانکتومیکس نامیده می شود و نمودار یک نقشه جامع از ارتباطات عصبی در مغز یک موجود زنده، به عنوان کانکتوم شناخته می شود. یکی از اهداف اصلی کانکتومیکس، یافتن اتصالات عصبی خاص مسئول رفتارهای خاص است.

یک مزیت دیگر در استفاده از C. elegans در آزمایش‌ها این است که این کرم شفاف است و در موارد خاص، بافت آن به گونه‌ای مهندسی ژنتیک شده است که حساس به نور باشد. این حوزه تحقیقاتی به عنوان اپتوژنتیک شناخته می شود و بسیاری از جنبه های آزمایش در علوم اعصاب زیستی را متحول کرده است. به جای سیستم معمولی استفاده از الکترود برای رساندن جریان به نورون و در نتیجه تحریک پاسخ، تکنیک اپتوژنتیک شامل استفاده از پروتئین‌های حساس به نور از ارگانیسم‌های خاص و کاشت آن سلول‌ها در ارگانیسم دیگر است تا محققان بتوانند رفتار ارگانیسم را کنترل کنند یا پاسخ هایی با استفاده از سیگنال های نوری دریافت کنند.

به طور مشابه، از پروتئین های دیگر می توان برای روشن شدن و گزارش هنگامی که یک نورون به نورون دیگر سیگنال می دهد، استفاده کرد. این به معنای دو چیز مهم در آزمایش است: اینکه یک موجود زنده به حضور نور پاسخ می‌دهد و اینکه یک نورون، هنگامی که سیگنالی از نورون دیگر دریافت می‌کند، روشن می‌شود یا خیر. این مسئله به محققان اجازه داده است تا تعامل نورون ها را به صورت بصری مطالعه کنند.

لیفر گفت: آنچه واقعاً در مورد این ابزار قدرتمند است این است که می‌توانید به معنای واقعی کلمه نورون‌ها را روشن کنید و سیگنال‌های آن‌ها را در زمان واقعی تماشا کنید. در اصل، ما می توانیم مشکل اندازه گیری و دستکاری فعالیت عصبی را به جمع آوری و رساندن نور مناسب به مکان مناسب در زمان مناسب تبدیل کنیم.

این ابزارهای نوری به گروه لیفر اجازه دادند تا کار پر دردسر درک چگونگی جریان اطلاعات در مغز کرم را آغاز کنند. محققان گفتند: هدف این بود که بفهمیم چگونه سیگنال‌ها مستقیماً در کل مغز کرم جریان می‌یابند، بنابراین هر نورون باید اندازه‌گیری می‌شد. این کار شامل جداسازی یک نورون در یک زمان، تابش نور بر روی آن، به طوری که فعال شد و سپس مشاهده نحوه واکنش سایر نورون ها بود.

لیفر گفت: برای این آزمایش، ما یک نورون را در یک زمان در کل مغز مرور کردیم، هر نورون را فعال یا مختل کردیم و سپس پاسخ کل شبکه را مشاهده کردیم. به این ترتیب ما توانستیم نحوه عبور سیگنال ها را در شبکه ترسیم کنیم.

لیفر افزود: این رویکردی بود که قبلاً هرگز در مقیاس کل مغز انجام نشده بود.

در مجموع، لیفر و گروهش نزدیک به 10000 رویداد محرک را با اندازه گیری بیش از 23000 جفت نورون و پاسخ آنها انجام دادند، کاری که از زمان لقاح تا تکمیل هفت سال طول کشید.

به چالش کشیدن مدل های تثبیت شده

تحقیقات انجام شده توسط لیفر و گروهش تاکنون جامع ترین توصیف از چگونگی جریان سیگنال ها در مغز است. برای دانشمندانی که کرم C. elegans را مطالعه می‌کنند، لیفر و گروهش اطلاعات زیادی در مورد نحوه عملکرد سیگنال‌های خاص در مغز کرم ارائه کردند و امید است که این تحقیق اطلاعات جدیدی را ارائه دهد که به پیشرفت تحقیقات پایه کمک کند.

لیفر گفت: ما به این نتیجه رسیدیم که در بسیاری از موارد، بسیاری از جزئیات مولکولی که نمی‌توانید از نمودار سیم‌کشی ببینید، در واقع برای پیش‌بینی اینکه شبکه چگونه باید پاسخ دهد، بسیار مهم هستند.

محققان می گویند که نوعی سیگنال‌دهی وجود دارد که بخشی از جزئیات مولکولی هستند که نمی‌توانید ببینید، که در طول اتصالات عصبی پیشرفت نمی‌کند. لیفر و گروهش اینها را سیگنال های بی سیم توصیف کردند.

اگرچه سیگنال دهی بی سیم در میان دانشمندان علوم اعصاب به خوبی شناخته شده است، اما برای مطالعه دینامیک عصبی تا حد زیادی مورد توجه قرار نگرفته است، زیرا اغلب تصور می شد که فرآیندی است که بسیار کند اتفاق می افتد. سیگنال دهی بی سیم شکلی از سیگنال دهی است که توسط آن یک نورون مولکول هایی به نام نوروپپتیدها را در فضای خارج سلولی یا محیط خارج سلولی بین نورون ها آزاد می کند. این مواد شیمیایی، منتشر شده و به نورون های دیگر متصل می شوند حتی اگر هیچ ارتباط فیزیکی بین آنها وجود نداشته باشد.

در نهایت، محققان بر این باورند که تأثیر مهم کار آنها این است که به سایر دانشمندان علوم اعصاب که این پدیده و پدیده‌های مشابه را مطالعه می‌کنند، اجازه می‌دهد تا مدل‌های بهتری برای درک مغز به عنوان یک سیستم ایجاد کنند.

لیفر گفت: ما با تحقیقات خود، یک قطعه بسیار مهم از پازل را که گم شده بود، پیدا کردیم.