چگونه مغز حس‌های مهم و بی‌اهمیت را از هم جدا می‌کند؟

فرض کنید در حال نواختن گیتار هستید. نشسته‌اید و وزن ساز را با پای خود کنترل می‌کنید. یک دست شما به سیم‌ها ضربه می‌زند و دست دیگر سیم‌ها را به دستهٔ ساز می‌فشارد تا آکوردها شکل بگیرند. نگاه شما نت‌های روی صفحهٔ مقابل را دنبال می‌کند و با گوش خود به چیزی که می‌نوازید گوش می‌دهید.

علاوه بر این‌ها، دو حس دیگر نواختن را برای شما ممکن می‌سازند. یکی از آن‌ها، لامسه، دربارهٔ اندرکنش شما و گیتار به شما آگاهی می‌دهد. دیگری، حس عمقی، موقعیت دست‌ها و بازوها و نحوهٔ حرکات شما حین نواختن را به شما می‌گوید. دانشمندان ترکیب این دو قابلیت را حس پیکری یا درک بدن می‌نامند.

پوست و بدن ما میلیون‌ها سنسور دارند که در حس پیکری مشارکت می‌کنند. با این حال مغز ما با این حجم از ورودی‌ها — و بسیاری از ورودی‌های مربوط به حس‌های دیگر — دچار آشفتگی نمی‌شود. حواس شما هنگام نواختن با زدگی کفش‌تان یا کشش بند گیتار پرت نمی‌شود.

شما تنها روی ورودی‌های حسی مهم تمرکز می‌کنید. مغز با مهارت تمام برخی از این سیگنال‌ها را تقویت و باقی را فیلتر می‌کند تا عوامل حواس‌پرتی نادیده گرفته شوند و تنها روی مهم‌ترین جزییات تمرکز شود.

مغز چگونه به این شاهکار دست می‌یابد؟ دانشمندان در پژوهشی جدید در دانشگاه نورت‌وسترن، دانشگاه شیکاگو و انستیتوی مطالعات بیولوژیکی سالک (Salk) در لا هویای کالیفرنیا، به پاسخی جدید برای این پرسش دست یافته‌اند.

دانشمندان در مجموع چند مطالعه در یافته‌اند که یک ساختار کوچک و نادیده گرفته شده در کف ساقهٔ مغز نقشی حیاتی در انتخاب سیگنال‌های حسی توسط مغز ایفا می‌کند. این ناحیه هستهٔ میخی (cuneate nucleus) یا CN نام دارد.

این پژوهش روی CN نه تنها فهم علمی از فرایند حس کردن را دگرگون می‌کند، بلکه می‌تواند زمینه را برای مداخلات پزشکی برای احیای قوای حسی در بیماران یا افراد صدمه دیده مهیا کند.

برای فهم این کشف، باید ابتدا به طور پایه‌ای با نحوهٔ عملکرد حس پیکری آشنا شویم.

وقتی ما چیزی را حرکت می‌دهیم یا لمس می‌کنیم، سلول‌های متخصصی درون پوست و ماهیچه‌های ما واکنش نشان می‌دهند. سیگنال‌های الکتریکی آن‌ها از رشته‌های عصبی به نخاع و مغز حرکت می‌کنند. مغز از این سیگنال‌ها برای دنبال کردن حالت، حرکت و موقعیت بدن، زمان‌بندی و اعمال نیروی مناسب برای اندرکنش با اشیاء استفاده می‌کند.

آزمایش‌ها نشان داده‌اند که تجربهٔ آگاهانهٔ بدن ما و اندرکنش آن با اشیاء نیازمند این است که این سیگنال‌ها به قشر مغز، بیرونی‌ترین لایهٔ مغز، برسند. دانشمندان برای مدت‌های طولانی فرض می‌کردند که این ناحیه نقش اصلی را در تقویت یا فیلتر کردن سیگنال‌های حسی بازی می‌کند. آن‌ها باور داشتند که CN تنها یک ایستگاه منفعل برای پخش و انتقال این سیگنال‌ها از بدن به قشر مغز است.

اما دانشمندان این پژوهش نسبت به این دیدگاه مشکوک بودند. چرا CN باید وجود داشته باشد اگر هیچ تغییری در سیگنال‌ها ایجاد نمی‌کند؟

آن‌ها تصمیم گرفتند هستهٔ میخی را در عمل مشاهده کنند. به طور تاریخی مشاهدهٔ فعالیت CN کاری چالش‌برانگیز بوده، زیرا CN کوچک و دسترسی به آن بسیار دشوار است.

این ناحیه در تقاطع بسیار منعطف سر و گردن قرار دارد. به این ترتیب حرکت یک حیوان می‌تواند دسترسی به آن را دشوار سازد. بدتر از این، هستهٔ میخی درون ساقهٔ مغز قرار گرفته و با ناحیه‌ای حیاطی احاطه شده که در صورت آسیب دیدگی می‌تواند منجر به مرگ شود.

خوشبختانه ابزارهای مدرن علوم اعصاب به دانشمندان اجازه می‌دهند که CN را در حیوانات بیدار بدون آسیب زدن به نواحی اطراف آن مشاهده کنند. آن‌ها الکترودهای ریزی را برای مشاهدهٔ اعصاب هستهٔ میخی به صورت منفرد در میمون‌ها کار گذاشتند.

دانشمندان توانستند برای اولین بار ببینند که وقتی یک میمون حرکت و اشیاء را لمس می‌کرد، این سلول‌ها چه واکنشی نشان می‌دادند. این روش پژوهشگران را قادر ساخت تا به چندین پرسش دربارهٔ عملکرد CN پاسخ دهند.

برای مثال آن‌ها با در معرض قرار دادن پوست میمون‌ها با محرک‌های گوناگون — نظیر لرزش، و الگوی‌های نقطه‌ای بریل مانند — چگونگی واکنش میمون‌ها به سیگنال‌های لمسی را مطالعه کردند. آن‌ها سپس فعالیت اعصاب CN را با فعالیت رشته‌های عصبی که سیگنال‌ها را به مغز می‌رسانند مقایسه کردند.

اگر CN تنها اطلاعات جمع‌آوری شده توسط سلول‌های حسی پوست را منتقل می‌کرد، فعالیت عصبی آن باید با فعالیت رشته‌های عصبی یکسان می‌بود. اما دانشمندان در یافتند که نورون‌های CN فقط ورودی‌ها را منتقل نمی‌کنند، بلکه آن‌ها را تغییر می‌دهند.

در حقیقت الگوهای فعالیت نورون‌های میخی بیشتر شبیه فعالیت نورون‌های قشر مغز بودند تا الگوهای رشته‌های عصبی.

اما ارتباط بین CN و قشر یک مسیر یک طرفه نیست. علاوه بر اعصاب حسی بالا رونده، مسیرهایی از نواحی حسی و حوکتی قشر مغز هستند که به سمت هستهٔ میخی می‌روند.

دانشمندان گمان داشتند که CN در گونه‌ای فیلتر حسی بر پایهٔ حرکات داوطلبانه و برنامه‌ریزی شدهٔ حیوان مشارکت دارد. به این منظور، آن‌ها فعالیت CN را در حالتی که میمون دست خود را به سمت یک هدف حرکت می‌دهد مشاهده و آن را با سیگنال‌های CN هنگامی که یک ربات بازوی حیوان را به طرزی مشابه حرکت می‌داد مقایسه کردند.

آن‌ها در یافتند که فعالیت هستهٔ میخی بسته به داوطلبانه یا غیر داوطلبانه بودن حرکت حیوان تغییر می‌کند. به عنوان مثال، می‌دانیم که سیگنال‌های بازوها می‌توانند به حیوان بفهمانند که یک حرکت طبق برنامه پیش می‌رود یا نه.

بر اساس این ایده، دانشمندان در یافتند که بسیاری از سیگنال‌های عضلات بازو هنگامی که حیوان دست خود را داوطلبانه حرکت می‌داد در CN تقویت می‌شدند.

این مطالعات نشان دادند که پردازش سیگنال‌های رسیده از بدن وقتی که سیگنال‌ها به هستهٔ میخی می‌رسند آغاز می‌شود. اما سلول‌های مغزی مسیرهایی که CN را قادر می‌سازند سیگنال‌های مهم را تقویت و سیگنال‌های بی‌اهمیت را فیلتر کند چه هستند؟

دانشمندان در سومین مطالعهٔ خود از مزایای تکنیک‌های ژنتیکی و ویروسی برای کاوش سیستم اعصاب یک موش استفاده کردند. آن‌ها با این ابزار توانستند انواع خاصی از سلول را دستکاری و با تاباندن یک لیزر آن‌ها را خاموش یا روشن کنند.

آن‌ها این تکنیک‌ها را با وظایف رفتاری ترکیب کردند. آن‌ها به موش‌ها آموزش دادند که یک نخ را بکشند یا به بافت‌های مختلف واکنش نشان دهند تا جایزه دریافت کنند. آن‌ها سپس آزمایش کردند که فعال یا غیر فعال بودن نورن‌های خاص چگونه می‌توانند توانایی موش برای انجام این وظایف را تحت تاثیر قرار دهد.

این رویکرد به پژوهشگران اجازه داد تا ابتدا عملکرد سلول‌های درون CN را بکاوند. از این طریق مجموعه‌ای از نورون‌های اطراف CN آشکار شدند که می‌توانستند عبور سیگنال‌های لمسی ورودی به مغز را سرکوب یا تقویت کنند.

آن‌ها همچنین دو مسیر را از قشر به CN کشف کردند که مقدار اطلاعات عبوری از هسته را کنترل می‌کنند. به عبارت دیگر، CN نه تنها از بدن اطلاعات دریافت می‌کند، بلکه دستوراتی را نیز از قشر دریافت می‌کند که به کمک آن‌ها تشخیص می‌دهد چه سیگنال‌هایی در هر لحظه برای فرد مهم هستند.

واضح است که ناحیهٔ CN در مغز از چیزی که پیش از این تصور می‌شد جالب توجه‌تر است.

این پژوهش عملکرد آن را شفاف می‌کند: تاکید بر برخی از سیگنال‌ها و سرکوب بقیه، پیش از ورود آن‌ها به نواحی مغزی مربوط به درک، کنترل حرکت و عملکردهای شناختی پیچیده‌تر. این نقش می‌تواند توضیح دهد که چرا CN در طیف وسیعی از پستانداران، از موش‌ها گرفته تا نخستی‌سانان، وجود دارد.

با این که این پژوهش تنها آغاز راه است، اما دلالت‌های مهمی برای حوزهٔ توانبخشی دارد. علاوه بر حس لامسه و سیگنال‌های عضلانی که در این پژوهش مطالعه شدند، شواهد نشان می‌دهند که CN ورودی‌های «خاموش» بسیار دیگری نیز دریافت می‌کند که می‌توانند در درمان مصدومیت‌های عصبی مهم باشند.

میلیون‌ها نفر در سرتاسر جهان از گونه‌ای از اختلال عملکرد در اندام‌های خود رنج می‌برند؛ نظیر معلولیت یا فقدان لامسه. با فهم بهتر چگونگی پشتیبانی سیگنال‌های حسی و حرکتی از حرکت اندام‌ها، پزشکان می‌توانند تشخیص‌ها و درمان‌های خود را برای درمان این شرایط بهبود ببخشند.

برای مثال، در آینده می‌توان با با کار گذاشتن الکترود هستهٔ میخی را به طور الکتریکی در افرادی که حس پیکری خود را از دست داده‌اند فعال و توانایی آن‌ها برای درک بدن خود را بازیابی کرد.