دانشمندان با هدف درک ذهن از مغز نقشه‌برداری می‌کنند

فناوری جدید دانشمندان علوم اعصاب را قادر می‌سازد تا نقشه دقیق‌تری از مغز ترسیم کرده و عملکرد آن را بهتر توصیف کنند. بدین ترتیب، آن‌ها در درک ذهن موفق‌تر خواهند بود.

آن‌ها امیدوارند با پیشرفت علم و در مراحل بعدی بتوانند از مغز یک ماهی در حال رشد و سپس یک موش – که مغز آن در حدود 70 میلیون نورون دارد – نقشه‌برداری کنند. هرچند این پروژه بسیار جاه‌طلبانه به نظر می‌رسد، اما قطعا اطلاعات جدیدی را در اختیار دانشمندان این حوزه قرار خواهد داد. آن‌ها پیش از این نقشه‌برداری از بخش‌های مختلف ذهن انسان را آغاز کرده بودند.

در این میان برخی دانشمندان علوم اعصاب عقیده دارند که این نقشه‌ها به تنهایی نمی‌توانند اطلاعات زیادی برای درک ذهن در اختیار ما قرار دهند، اما چندین مطالعه اخیر نتایج دیگری را عرضه کرده‌اند – حداقل برای حیوانات کوچکتر.

به عنوان مثال، در مقاله‌ای که در اکتبر 2021 منتشر شد، محققان منطقه‌ای از مغز مگس میوه را بررسی کردند و دریافتند این بخش از مغز به حرکت در حین پرواز کمک می‌کند. دانشمندان با بررسی «کانکتوم» این ناحیه از مغز، انواع جدیدی از نورون‌ها را شناسایی کردند.

کانکتوم توصیف کاملی از ساختار ارتباطی سیستم عصبی یک موجود زنده است. این حوزه تحقیقاتی را «کانکتومیس» می‌نامند.

آن‌ها نشان دادند چگونه این ارتباطات مگس را قادر می‌سازد تا محاسبات لازم برای پرواز و نشستن را انجام دهد. مطالعه دیگری که در سپتامبر 2021 منتشر شد، داده‌های کانکتوم نوعی کرم را بررسی کرد تا نشان دهد نورون‌های خاص مغز این موجود چگونه به جنبه‌های خاصی از رفتار کرم در جفت‌گیری منجر می‌شود.

«جف لیختمن» عصب‌شناس دانشگاه هاروارد یکی از اساتید برجسته فعال در این حوزه است. آزمایشگاه او درحال کار بر روی نقشه‌برداری از مدارهای عصبی مغز حیوانات مختلف مانند کرم‌ها، مگس‌ها، ماهی‌ها، موش‌ها و حتی انسان است. او چندین روش مختلف را توسعه داده است که اکنون توسط سایر محققان این زمینه مورد استفاده قرار می‌گیرد.

به عنوان مثال، او یک کد توسعه دهنده «Brainbow» نوشته است. این کد نوعی تکنیک ژنتیکی است که نورون‌ها را در صدها رنگ مختلف برچسب‌گذاری می‌کند تا تصاویر دیدنی از آن‌ها تولید شود. اخیرا او ابزارهایی برای تجزیه و تحلیل بخش‌های کوچکی از مغز ایجاد کرده است. این ابزارها مغز را به کمک میکروسکوپ‌های الکترونی با وضوح و دقت بسیار بالا بررسی می‌کنند.

در سال 2021، لیختمن و همکارانش در هاروارد، گزارش کاملی از نمودار مدارهای عصبی مغز انسان منتشر کردند.

لیختمن با چاپ مقاله‌ای در مجله «Annual Review of Neuroscience» چالش‌های خود در استخراج اطلاعات مفید از داده‌های کانکتوم را بررسی کرد و توضیح داد که چطور به کمک بررسی این ارتباطات می‌توان به درک عمیق‌تری از نحوه عملکرد مغز در شرایط مختلف رسید.

چرا برای درک ذهن به نقشه‌های عصبی نیاز داریم؟

پاسخ‌های مختلفی برای اینکه بدانیم چرا به این نقشه‌ها نیاز داریم، وجود دارد. نکته‌ جالبی که در مورد مغز وجود دارد و آن را از سایر ارگان‌های بدن مجزا می‌کند، نحوه برقراری ارتباط آن از طریق سلول‌ها با یکدیگر در فواصل زیاد است.

نورون‌ها این ویژگی منحصر به فرد را دارند: آن‌ها قادر هستند بخشی از خود به نام «آکسون» را تا فواصل دور ارسال کنند. در پستانداران این فاصله می‌تواند در حدود چند سانتی‌متر باشد. در مورد زرافه، می‌توان گفت برخی نورون‌ها آکسون را تا فواصل چند متر دورتر نیز می‌فرستند.

دانشمندان برای درک نورون‌ها نیاز دارند سلول آکسون را دنبال کنند. به عبارت دیگر، آن‌ها باید بدانند آکسون به کجا فرستاده می‌شود و با چه ارگانی ارتباط برقرار می‌کند. بدین ترتیب، عملکرد سلول درک خواهد شد. پس اهمیت نقشه‌برداری از مغز مشخص می‌شود. این یک الزام است که برای مطالعه هیچ سیستم دیگری از بدن نیاز نیست.

کانکتومیس چه تفاوتی با عصب‌شناسی سنتی دارد؟

کانکتومیس روش مطالعاتی و به نوعی ابزاری برای نقشه‌برداری است که می‌تواند به فرضیه‌های جدید در مورد مغز پاسخ صحیح بدهد. بیشتر اوقات، آن چه سبب تغییر در علم می‌شود، این واقعیت نیست که چه کسی یک فرضیه بزرگ را مطرح کرده و سپس مورد آزمایش قرار داده است.

داده‌ها در این مرحله نقش اصلی را بازی می‌کنند. این داده‌ها هستند که نشان می‌دهند فرضیه مطرح شده چقدر صحیح و قابل اتکا بوده است.

آیا ما به فرضیه‌های جدیدی برای درک ذهن نیاز داریم؟

دانشمندان بر این عقیده هستند که اکثر تصورات ما در مورد مغز اشتباه است. آن‌ها دچار اشتباه می‌شوند زیرا هیچ داده کاملی در اختیار ندارند و اینجاست که تکنیک‌هایی مانند نقشه‌برداری از ذهن با جمع‌آوری داده‌های مختلف به دانشمندان کمک می‌کنند تا پاسخ تک تک سوالات خود را بیابند. یافتن پاسخ سوالات درک دقیق‌تری از مغز به ما می‌دهد.

دانشمندان عقیده دارند برخلاف پیچیدگی‌های موجود در مغز، افکار ما بسیار ساده‌ لوحانه هستند و همین تضاد سبب می‌شود در درک ذهن دچار مشکل شویم.

آیا افکار ما هیچگاه موفق به درک ذهن خواهند شد؟

این ماشین پیچیده که ما آن را مغز می‌نامیم، افکاری را تولید می‌کند که به همان اندازه پیچیده نیستند. با این‌حال، انسان‌ها تاکنون موفق به توصیف پدیده‌های پیچیده مختلف بوده‌اند که واقعا شگفت‌انگیز است. به عنوان مثال، می‌توان به رفتار نور اشاره کرد.

توضیح رفتار نور و سپس اثبات آن در آزمایشگاه یکی از دشوارترین و درعین حال موفق‌ترین کارهایی بوده است که بشر تاکنون موفق به انجام آن شد. این ایده که یک ذره به نام فوتون – ذره بدون جرم – می‌تواند همانند یک موج گسترش یابد، واقعا دیوانه کننده است. با این‌حال، درک مغز انسان هنوز هم کار دشوارتری است.

زمانی که فکر می‌کنیم، مغز ما هزاران یا حتی میلیون‌ها کار را به طور همزمان انجام می‌دهد. این کار برای مغز بسیار ساده است. اما اگر از دید تفکر آگانه به آن نگاه کنیم، درخواهیم یافت که در هر لحظه تنها می‌توانیم به یک موضوع خاص فکر کنیم – نه چند مسئله مختلف.

دانشمندان باور دارند عصب شناسانی که در حوزه کانکتومیک فعالیت دارند، بسیار شبیه به کاوشگرانی هستند که به زیرزمین می‌روند و در تلاش هستند تا بیگانه‌ترین مسائل مرتبط با بدن را درک کنند. بهترین کاری که می‌توانیم برای درک ذهن انجام دهیم، این است که همانند طبیعت‌گرهای اولیه باشیم و هر گونه گیاهی یا جانوری جدیدی که می‌بینیم، ثبت و دسته‌بندی کنیم.

پس از گذشت مدتی، حجم قابل توجهی از داده جمع‌آوری می‌شود که شاید توضیح آن‌ها دشوار باشد، اما بسیار ارزشمند هستند. همین اندازه که بدانیم برای درک مغز قدم بزرگی برداشته شده و به حجم زیادی داده دست پیدا کرده‌ایم، کار بزرگی است.

چالش‌ها در نقشه‌برداری از مغز موش و انسان چیست؟

دانشمندان در پاسخ به این سوال بیان کردند: «کانکتومیکس همانند یک خط لوله است. ما با یک حیوان شروع می‌کنیم و پس از 20 تا 30 مرحله کار بر روی آن، موفق به رسم نمودار عصبی مغز آن می‌شویم. ابتدا باید بافت حفظ شود، سپس رنگ‌آمیزی آغاز می‌شود تا درنهایت بتوان آن را تبدیل عکس کرد.

پس از ایجاد تصاویر، آن‌ها را به هم میچسبانیم و تراز می‌کنیم. حالا نوبت به هوش مصنوعی و تعریف الگوریتم‌های مختلف می‌رسد تا این تصاویر را آنالیز کند. حالا فرض کنید هرکدام از این مراحل با درصدی خطا مواجه هستند. اگر 20 مرحله داشته باشیم که هرکدام 90% شانس موفقیت داشته باشند، درنهایت از هر هشت بار امتحان کردن فقط یک بار به نتیجه نهایی می‌رسیم. بنابراین رسیدن به نتیجه مطلوب کار دشواری است.»

منتقدان عقیده دارند یک کانتکوم به تنهایی نمی‌تواند به درک ذهن کمک کند و برخی به این واقعیت اشاره می‌کنند که دانشمندان نزدیک چهار دهه است که بر روی کانکتوم مغز کرم کار می‌کنند اما هنوز نمی‌دانند حتی این سیستم عصبی ساده چگونه کار می‌کند.

البته این توصیف ناعادلانه‌ای از این حیطه تحقیقاتی است. اکثر افرادی که بر روی کانکتوم کرم‌ها کار می‌کنند، مطالعات گسترده‌ای بر روی داده‌ها انجام داده‌اند. اخیرا مقاله‌ای در مورد کانکتوم کرم منتشر شده است که تنها در هشت مرحله آن را توصیف می‌کند.

آیا مطالعه حیوانات کوچک می‌تواند به کسب بینش‌هایی در مورد مغز انسان منجر شود؟

دانشمندان مطالعه بر روی مغز حیوانات کوچک را با این هدف انجام می‌دهند که ساختار کلی ذهن را درک کنند. برخی از آن‌ها عقیده دارند درک هرچه بیشتر می‌تواند به درک بهتر مغز نیز کمک کند. با این حال، انسان با همه حیوانات فرق دارد. مغز انسان به طرز شگفت‌انگیزی پیچیده است.

دانشمندان مطمئن نیستند که حتی نزدیک‌ترین خویشاوندان ما – مانند نخستی‌های غیرانسانی – الگوی واقعا خوبی برای درک مغز انسان باشند. دلیل آن‌ها عدم تغییر رفتار این حیوانات است. به عنوان مثال، یک میمون تمام رفتارهای نسل پیشین خود را تکرار می‌کند، درحالیکه رفتار انسان در هر شخص متفاوت است.

این گروه تحقیقاتی امیدوار هستند دیر یا زود، موفق به درک ذهن انسان با استفاده از بررسی کانکتوم مغز شوند.