کشف ریتم‌های پنهان مغز

دانشمندان علوم اعصاب MIT چارچوب جدیدی را پیشنهاد می‌کنند که توضیح می‌دهد چگونه فکر از هماهنگی فعالیت‌های عصبی ناشی از میدان‌های الکتریکی در حال نوسان ناشی می‌شود، که به آن امواج یا ریتم‌های مغز می‌گویند.

به گزارش تک‌ناک، سه نفر از دانشمندان علوم اعصاب مؤسسۀ فناوری ماساچوست استدلال می‌کنند که تنها با مشاهدۀ چگونگی عملکرد میلیون‌ها سلول در هماهنگی، عملکرد مغز قابل درک است. در مقاله‌ای جدید، آنها چارچوبی ارائه می‌کنند برای درک اینکه چگونه فکر از هماهنگی فعالیت‌های عصبی ناشی از میدان‌های الکتریکی نوسانی به وجود می‌آید، که به‌عنوان امواج یا ریتم‌های مغز نیز شناخته می‌شود.

در حالی که تاکنون دانشمندان علوم اعصاب از مطالعۀ شیوۀ اتصال سلول‌های مغزی فردی و چگونگی و زمان انتشار اسپایک‌ها برای ارسال تکانه‌ها از طریق مدارهای خاص، دانش فوق‌العاده‌ای به دست آورده‌اند، همواره نیاز به درک و به کارگیری مفاهیم جدید در مقیاس ریتم مغز وجود دارد که می‌تواند حتی چندین ناحیۀ مغز را در بر بگیرد.

گسترش دامنۀ علوم اعصاب

میلر، نویسندۀ ارشد این مطالعه گفت: اسپایکینگ و آناتومی مهم هستند، امّا آنها در مغز عملکردهای زیادی در سطح بالاتر دارند.

محققان تأکید دارند که مطالعۀ مغز در آن مقیاس، نه تنها ممکن است شامل درک عملکرد مغز در سطح بالاتر باشد، بلکه چگونگی اختلال در عملکردهای مغزی در بیماری‌های گوناگون را نیز شامل می‌شود.

به گفتۀ محققان بسیاری از اختلالات عصبی و روانی مانند: اسکیزوفرنی، صرع، و پارکینسون، شامل اختلال در ویژگی‌های اضطراری مثل همزمانی عصبی هستند. آنها پیش‌بینی می‌کنند که درک چگونگی تفسیر و ارتباط با این ویژگی‌های اضطراری برای توسعۀ درمان‌های مؤثر و درک عملکرد مغز، حیاتی باشد.

ظهور افکار

پلی میان مقیاس تک تک سلول‌های عصبی و هماهنگی در مقیاس وسیع‌تر بسیاری از سلول‌ها، بر روی میدان‌های الکتریکی بنا شده است. از طریق پدیده‌ای به نام «زوج افاپتیک»، میدان الکتریکی تولید شده توسط فعالیت یک نورون می‌تواند بر ولتاژ نورون‌های همسایه تأثیر بگذارد و یک هم‌ترازی بین آنها ایجاد کند. به این ترتیب میدان‌های الکتریکی هم فعالیت عصبی را منعکس می‌کنند و هم بر آن تأثیر می‌گذارند.

در مقاله‌ای که سال 2022 منتشر شد، میلر و همکارانش از طریق آزمایش‌ها و شبیه‌سازی محاسباتی، نشان دادند که اطلاعات کدگذاری‌ شده در میدان‌های الکتریکی تولید شده توسط مجموعه‌ای از نورون‌ها را می‌توان با اطمینان بیشتری نسبت به اطلاعات رمزگذاری شده توسط اسپایک‌های سلول‌های منفرد خواند. در سال 2023، میلر شواهدی ارائه کرد که میدان‌های الکتریکی ریتمیک ممکن است خاطرات را میان مناطق هماهنگ کند.

نقش ریتم‌های بتا و گاما

در این مقیاس بزرگ‌تر که در آن میدان‌های الکتریکی ریتمیک اطلاعات را بین نواحی مغز حمل می‌کنند، میلر مطالعات متعددی را منتشر کرده است که نشان می‌دهد ریتم‌های با فرکانس پایین‌تر در باند موسوم به بتا از لایه‌های عمیق‌تر قشر مغز سرچشمه می‌گیرند و به نظر می‌رسد که تنظیم‌کنندۀ قدرت ریتم‌های گاما با فرکانس سریع‌تر در لایه‌های سطحی‌تر باشند.

میلر با ثبت فعالیت عصبی در مغز حیواناتی که درگیر بازی‌های حافظۀ فعال هستند، نشان داده است که ریتم‌های بتا سیگنال‌های «بالا به پایین» را حمل می‌کنند و این کار برای کنترل زمان و مکان‌هایی می‌باشد که ریتم‌های گاما می‌توانند اطلاعات حسی مانند تصاویری که حیوانات به آن نیاز دارند را رمزگذاری کنند.

محاسبات فضایی و کنترل شناختی

برخی از آخرین شواهد آزمایشگاهی نشان می‌دهد که ریتم‌های بتا این کنترل فرآیندهای مغزی را بر روی تکه‌های فیزیکی قشر مغز اعمال می‌کنند و عمل آنها مانند شابلون‌هایی است که الگوی مکان و زمان گاما می‌توانند اطلاعات حسی را در حافظه رمزگذاری یا آنها را بازیابی کنند. بر اساس این نظریه که میلر آن را محاسبات فضایی می‌نامد، بتا می‌تواند قوانین کلی یک کار (مثلاً چرخش‌های رفت و برگشت مورد نیاز برای باز کردن قفل ترکیبی) را تعیین کند، حتی اگر محتوای اطلاعاتی خاص تغییر کند (به عنوان مثال، اعداد جدید هنگامی که ترکیب تغییر کنند).

محققان بر این باور هستند که به‌طور کلی‌تر این ساختار، نورون‌ها را قادر می‌سازد تا به‌طور انعطاف‌پذیر بیش از یک نوع اطلاعات را در یک زمان رمزگذاری کنند.

کدگذاری فضای فرعی، بینش جدید

در مطالعۀ جدید، میلر و همکارانش برینکات و روی، یک مزیت دیگر را پیشنهاد می‌دهند که با کنترل شناختی بر اساس هماهنگی فعالیت‌های ریتمی بزرگ استوار است و «کدگذاری زیرفضایی» نام دارد.

بر اساس این ایده ریتم‌های مغزی تعداد زیادی از نتایج ممکن را سازمان‌دهی می‌کنند، که مثلاً می‌تواند از 1000 نورون درگیر در فعالیت اسپایکینگ مستقل ناشی شود. یعنی به‌جای همۀ امکانات ترکیبی فراوان، زیرفضاهای کمتری از فعالیت به وجود می‌آیند، چرا که نورون‌ها مستقل نیستند ولی هماهنگ هستند. گویی جهش نورون‌ها مانند دسته‌ای از پرندگان است که حرکات خود را هماهنگ می‌کنند.

فازها و فرکانس‌های مختلف ریتم‌های مغزی این هماهنگی را فراهم می‌کنند و برای تقویت یکدیگر یا جلوگیری از تداخل، افست می‌شوند. به عنوان مثال، اگر یک قطعه از اطلاعات حسی نیاز به فراموش نکردن داشته باشد، فعالیت عصبی نشان‌دهندۀ آن می‌تواند از تداخل در هنگام درک اطلاعات حسی جدید محافظت کند.

محققان تأکید دارند که سازماندهی پاسخ‌های عصبی در زیرفضاها می‌تواند هم اطلاعات را تفکیک و هم یکپارچه کند.

تأثیر ریتم‌های مغزی بر عملکرد مغز

قدرت ریتم‌های مغز برای هماهنگی و سازماندهی پردازش اطلاعات در مغز موضوعی است که شناخت عملکردی را قادر می‌سازد در آن مقیاس ظاهر شود. بنابراین درک شناخت در مغز مستلزم مطالعۀ ریتم مغز است.

در نتیجه با توجه به گفته‌های محققان، تاکنون مطالعۀ اجزای عصبی منفرد یعنی نورون‌ها و سیناپس‌ها، کمک زیادی به درک ما از مغز کرده است. امّا با وجود این برای درک کامل پیچیدگی مغز، تجزیه و تحلیل این اجزا باید به‌طور هماهنگ باشد تا ویژگی‌های اضطراری آنها شناسایی، مطالعه و مرتبط شود.