مغز انسان مجموعهای پیچیده از ۱۰۰ میلیارد نورون و سلولهای پشتیبان است. ما میتوانیم تمام عمر خاطرات خود را در آن ذخیره کنیم. میتوانیم از آن برای نوشتن شعر و ساختن هواپیما استفاده کنیم. البته، مغز فیل، بزرگتر، سنگینتر و دارای نورونهای بیشتری است، اما فیلها نیز از قابلیتهای ما بیبهرهاند.
علاقهمند شدید؟ دانشمندان هم همینطور! به همین دلیل است که آنها در حال نقشهبرداری از مغز انسان هستند، پروژهای گسترده که ممکن است دههها طول بکشد تا کامل شود.
نقشهبرداری از مغز (Brain mapping) تلاش میکند تا ساختار مغز را به عملکرد آن مرتبط کند یا مشخص کند که کدام بخشها به ما قابلیتهای خاصی میدهند. برای مثال، کدام جنبه از مغز ما به ما اجازه میدهد خلاق یا منطقی باشیم؟ این فرآیند به عنوان “محلیابی عملکرد (Localization of Function)” شناخته میشود.
نقشهبرداری از عملکردهای مغز
در نقشهبرداری از عملکردهای مغز، دانشمندان از تصویربرداری برای مشاهده فعالیت مغز در انجام وظایف مختلف استفاده میکنند. چارلز ویلسون (Charles Wilson)، یک عصبشناس در دانشگاه تگزاس در سن آنتونیو (University of Texas, San Antonio)، این گونه به توصیف محلیابی عملکرد میپردازد:
“بخشی از مغز عمدتاً با بینایی و بخشهای دیگر عمدتاً با صدا سروکار دارند. حالا آیا میتوانیم بر روی بخش بینایی تمرکز کنیم و بگوییم آیا بخشی ویژه از مغز برای تشخیص اشیای قرمز و بخشی دیگر برای تشخیص اشیای سبز وجود دارد؟ یا اینکه یک ناحیه یکسان اشیای هر دو رنگ را تشخیص میدهد؟”
نقشهبرداری از مغز همچنین از بیرون به داخل نگاه میکند. این روش بررسی میکند که چگونه محیط ما ساختار مغز را تغییر میدهد. به عنوان مثال، چگونگی تغییر فیزیکی مغز در فرآیند یادگیری و پیری را مطالعه میکند. نقشهبرداری مغز همچنین بررسی میکند که در طی بیماریهای روانی و دیگر بیماریهای مغزی، چه اشتباهاتی بهطور فیزیکی در مغز رخ میدهد.
در نهایت، نقشهبرداری از مغز بهدنبال ارائه تصویری جامع از ساختار مغز ما است.
گوگل ارث (Google Earth) به ما تصاویر ماهوارهای از سیاره ما نشان میدهد و به قارّهها، کشورها، استانها، شهرها، بزرگراهها، خیابانها و ساختمانها نزدیک میشود. یک نقشه کامل از ساختار مغز ما ممکن است مشابه با آن باشد.
این نقشه میتواند به ما کل مغزمان را نشان دهد؛ همه نواحی، حلقههای عملکردی، مراکز تخصصی، دستههای ضخیم نورونی که بخشهای مغز را به هم متصل میکنند، مدارهای نورونی، نورونهای منفرد، اتصالات بین نورونها و در نهایت، اجزای نورون. دانشمندان همچنان در حال توسعه بخشهایی هستند که ممکن است این نقشه عظیم را تشکیل دهند.
نقشهبرداری مغز از مجموعهای از ابزارهای مختلف استفاده میکند. پژوهشگران باید تصاویر مغز را جمعآوری کنند، آن تصاویر را به داده تبدیل کنند، و سپس از آن دادهها برای تحلیل آنچه در مغز در حین توسعه اتفاق میافتد، استفاده کنند.
فناوری و روشهای نقشهبرداری مغز
دانشمندان از هر دو روش تصویربرداری عصبی عملکردی و ساختاری (functional and structural neuroimaging) در تحقیقات نقشهبرداری مغز استفاده میکنند. آنها تصاویر مغزهای سالم را میگیرند و آنها را با مغزهای بیمار مقایسه میکنند.
علاوه بر این، آنها مغزهایی را که از انسانها، نخستیسانان (Primates)(نخستیسانان پستانداران دارای جفت هستند که شامل گوریلها، میمونها و شامپانزهها و همچنین انسان میشوند -م) و پستانداران کوچک گرفته شدهاند، بررسی میکنند و سعی میکنند بفهمند که سیستمهای عصبی کوچکتر بیمُهرگان چگونه کار میکنند. همچنین در سطح میکروسکوپی، آنها نورونها را نیز بررسی میکنند.
در اینجا برخی از ابزارهایی که در نقشهبرداری مغز استفاده میشود آورده شده است. این تکنیکهای نقشهبرداری مغز، تصاویر مغز را به دست میآورند:
- اسکن توموگرافی محوری کامپیوتری (Computer axial tomography یا CAT scan) از زوایای مختلفی به مغز پرتو ایکس میتاباند و ناهنجاریهای ساختاری را نشان میدهد.
- تصویربرداری تشدید مغناطیسی ساختاری (magnetic resonance imaging یا MRI) با بهرهگیری از آب موجود در مغز، تصاویر با وضوح بهتری نسبت به CAT اسکن ایجاد میکند.
- انتشار تِنسور- MRI(Diffusion tensor-MRI یا DTI) مسیرهای نورونی که نواحی مغز را با پیگیری حرکت آب در مغز متصل میکنند، تصویرسازی میکند.
این تکنیکها فعالیت مغزی را بررسی میکنند:
- الکتروانسفالوگرافی (Electroencephalography یا EEG) مکانهای الکتریکی فعال در مغز را با استفاده از حسگرهای کاشته شده در مغز یا روی یک کلاه را نشان میدهد.
- توموگرافی گسیل پوزیترون (Positron emission tomography یا PET) تصاویری از نشانگرهای رادیواکتیو در مغز میگیرد.
- MRI عملکردی (fMRI) تصاویر فعالیت مغزی را در حین انجام وظایف مختلف توسط افراد نشان میدهد.
- MRI عملکردی دارویی (Pharmacological functional MRI یا phMRI) فعالیت مغزی را در حالی که داروها تجویز میشوند، نشان میدهد.
- تحریک مغناطیسی ترانس کرانیال (Transcranial magnetic stimulation یا TMS) بهصورت غیرتهاجمی بخشهای مغز را تحریک میکند تا رفتارهای خاصی را برانگیزد.
روشهای جدید به پژوهشگران اجازه میدهند تا تمام اتصالات بین نورونها را در یک مغز سالم ببینند. این شاخه از مطالعه، کانکتومیک (connectomics) نامیده میشود. “نمودار سیمکشی” مغز، کانکتوم (connectome) نام دارد (منبع: Lichtman).
“تا همین اواخر، امیدی برای به دست آوردن این نمودارهای سیمکشی نداشتیم.” جف لیختمن (Jeff Lichtman)، زیستشناس دانشگاه هاروارد که گروهی را که برخی از تکنیکهای جدید را توسعه داده بودند، رهبری کرد، میگوید: “ما میتوانستیم سلولهای منفرد را ببینیم، اما هرگز همه آنها را بهطور همزمان نمیدیدیم. “
یکی از این تکنیکها، معروف به Brainbow، هر نورون را در مغز یک حیوان زنده با رنگی متفاوت برچسبگذاری میکند. با تولید تصاویر از مغز حیوان، دانشمندان میتوانند ببینند که نورونها چگونه و در کجا به هم متصل میشوند. با رشد و پیر شدن حیوان، آنها همچنین میتوانند مشاهده کنند که نورونها چگونه ارتباطات خود را تغییر میدهند.
تکنیک دیگر از دستگاه ATLUM (Automatic Tape-Collecting Lathe Ultramicrotome) استفاده میکند. این دستگاه نمودار سیمکشی مغز را میخواند.
لیختمن توضیح میدهد: “ما کاری شبیه به پوستکندن سیب انجام میدهیم. ما اساساً با چرخاندن مغز روی یک تراش، یک برش مارپیچی از آن تراش میدهیم و این نوار از بافت را روی یک نوار قرار میدهیم. در نهایت، نوار بسیار بلندی به دست خواهیم آورد که در واقع شامل تمام مغز است. با استفاده از یک میکروسکوپ الکترونی، ما آن را تصویربرداری میکنیم تا ساختار سیمکشی را ببینیم.”
تا کنون، Brainbow و ATLUM فقط برای مطالعه حیوانات با مغز نسبتاً کوچک مانند موشها استفاده میشدند.
خب، هدف چیست؟ نقشهبرداری مغز چه چیزی را میتواند به ارمغان آورد؟ در بخش بعدی، آنچه را که میتوانیم از نقشهبرداری مغز انسان بیاموزیم بررسی میکنیم.
آیا مطالعه phMRI میتواند درد را بررسی کند؟
از سال ۱۹۹۷، گروهی از پژوهشگران در “مرکز تصویربرداری رزونانس مغناطیسی عملکردی مغز در آکسفورد بریتانیا (Britain’s Oxford)”، تصاویری از مغز بیماران را ضبط کردهاند که در حین تجربه درد و اشکال مختلف تسکین، از جمله حواسپرتی و دارو، به دست آمده است.
با اندازهگیری اثر دارو بر مغز، دانشمندان توانستهاند بیشتر در مورد داروهای مسکن و روانپزشکی بیاموزند.
کاربردهای نقشهبرداری مغز
چرا دانشمندان وظیفه دشوار نقشهبرداری مغز را بر عهده میگیرند؟ پاسخ ساده است، لیختمن میگوید: “برای درک بهتر مغزهای ما”.
ما هرگز نموداری از نحوه اتصال تمام نورونها در مغز ندیدهایم. همانطور که جف لیختمن بیان میکند: “بسیاری از تفکرات ما درباره مغز بر اساس دانشی ناقص از آنچه واقعاً وجود دارد بنا شده است. بنابراین ما میخواهیم ببینیم که واقعاً چه چیزی وجود دارد.”
نمودار سیمکشی مغز ممکن است به ما کمک کند که بهتر درک کنیم چگونه یاد میگیریم و سازگار میشویم، لیختمن میگوید:
“ما با انطباق کمتر با محیطمان نسبت به هر حیوان دیگری شروع میکنیم. تا زمانی که به بزرگسالی برسیم، میتوانیم از ابزارهایی استفاده کنیم که میراث ژنتیکیمان بههیچوجه نمیتوانست به سیستم عصبیمان آموزش دهد که چگونه از آن استفاده کنیم — مانند آیپادها (iPods). هیچ حیوان دیگری نمیتواند این کار را انجام دهد. در طول رشدمان، باید خود را سیمکشی کنیم تا بتوانیم از این دستگاهها استفاده کنیم.”
نقشهبرداری مغز همچنین به پزشکان کمک میکند. جراحان مغز و اعصاب از نقشهبرداری مغز برای برنامهریزی جراحیهای ایمنتر استفاده کنند. یکی از درمانهای صرع، بهعنوان مثال، حذف بخش آسیبدیده مغز است.
با استفاده از MRI عملکردی و EEG، جراحان میتوانند مرکز تشنج در مغز بیمار — و همچنین نواحی فعال در حین صحبت کردن و حرکت کردن — را تا مقیاس میلیمتر مشخص کنند. این تصاویر به پزشکان میگوید چه بخشی از مغز را باید حفظ کرد و چه چیزی را باید قطع کرد.
تصویربرداری مغزی نه تنها در درمان بلکه در تشخیص بیماریهای تحلیلبرنده عصبی، مانند پارکینسون و آلزایمر استفاده میشود (منبع: Wilson). با استفاده از تکنیکهای نشانهگذاری مانند PET، پزشکان به دنبال کاهش در مواد شیمیایی خاص مغز میگردند، یا ممکن است از MRI برای بررسی کاهش اندازه در نواحی که نشاندهنده از دست دادن بافت است، استفاده کنند.
با گذشت زمان، پزشکان میتوانند نقشهای از شکل مغز در حین پیشرفت بیماریها یا اثربخشی درمانها ترسیم کنند (منبع: مؤسسه اختلالات تحلیلبرنده عصبی).
اختلالات رشدی مانند اوتیسم (Autism) ممکن است پایهای ساختاری در مغز داشته باشند. لیختمن اشاره میکند که تصور میشود اوتیسم شامل مجموعهای از ارتباطات منحصر به فرد بین نورونها است. با اعمال روش Brainbow به یک موش مبتلا به اوتیسم، محققان ممکن است بتوانند نقشه سیمکشی اوتیسم را مشاهده کنند تا بفهمند سیمکشی مغزش با موشی که اوتیسم ندارد چگونه، چه زمانی و آیا متفاوت است یا نه.
دانشمندان همچنین تلاش کردهاند تا تأثیرات اختلالات روانی مختلف بر مغز را نشان دهند و در این راه به موفقیتهایی دست یافتهاند. تصویربرداری از مغز این بیماران نشان داد که ناهنجاریهای ساختاری وجود دارد. به عنوان مثال، MRI ساختاری نشان داده است که بیماران مبتلا به اسکیزوفرنی (Schizophrenic) در طول زمان در بخشهای گیجگاهی و جلوی مغز (temporal and prefrontal cortex) دچار کاهش ماده میشوند [منبع: تامپسون و همکاران].
اختلال پانیک، اختلال دو قطبی، افسردگی، اضطراب، اختلالات خوردن و موارد دیگر با استفاده از تکنیکهای مختلف تصویربرداری مغزی مورد بررسی قرار گرفتهاند، اما چگونه میتوانیم یافتههای دانشمندان را تفسیر کنیم؟ و مهمتر از همه، کجا میتوانیم آنها را ببینیم؟
پزشکان و دانشمندان از نقشهبرداری مغز بیشتر از آنچه که این مقاله میتواند پوشش دهد، یاد گرفتهاند. در اینجا دو نکته برجسته آورده شده است:
طعنه
ما از یک ناحیه در مغز به نام ژیروس پاراهیپوکامپ راست (right parahippocampal gyrus) برای شناسایی طعنه استفاده میکنیم. محققان با استفاده از MRI عملکردی بر روی بیمارانی که در آن ناحیه دچار تخریب شده بودند و درک طعنه خود را از دست داده بودند، به این نتیجه رسیدند (منبع: Hurley).
آگاهی
به گفته رودولفو لیناس (Rodolfo Llinas) از دانشگاه نیویورک، میتوانیم مغز را به یک مرکز همزمانسازی در عمق مغز و حلقههای نورونی که به ما اندیشه متعالی میدهند، تقسیم کنیم.
نیکولاس شیف (Nicholas Schiff) از کالج پزشکی ویل دانشگاه کرنل (Cornell University’s Weill Medical College) میگوید: “ما زمانی احساس آگاهی میکنیم که آن مرکز، آن حلقهها را هماهنگ نگه دارد. اما اگر هر قسمتی آسیب ببیند، ممکن است بخشی یا کل آگاهی را از دست بدهیم. “
این امر ممکن است توضیح دهد چرا بیمارانی که برای سالها هیچ نشانهای از آگاهی بیرونی نداشتند، در پاسخ به یک صدای آشنا فعالیت طبیعی مغزی نشان میدهند. آنها حلقههایی دارند که به صورت مجزا عمل میکنند، مانند شبکههای عصبی که زبان را پردازش میکنند (منبع: Zimmer).
اطلس مغز: چگونه از نقشههای مغز استفاده میکنیم
نوروانفورماتیک (Neuroinformatics) تمام دادههایی که درباره مغز داریم را به صورت قابل استفاده روی اینترنت قرار میدهد. این دادهها شامل تصاویر، مدلهای رفتار نورونها و نقشههایی از ژنهایی است که در مناطق مختلف مغز “فعال” میشوند.
با قابل اشتراکگذاری و قابل جستجو کردن دادهها، محققان مغز میتوانند از مطالعات یکدیگر استفاده کنند و به کشفیات بیشتری برسند.
مهندسان در حال نوشتن نرمافزاری هستند که به محققان مغز کمک کند دادهها را به اشتراک بگذارند و مقایسه کنند. به عنوان مثال، نرمافزار اکنون تحلیل میکند که آیا تصاویر MRI بیماران آلزایمری دارای اندازهها و شکلهای مختلف مغز، ویژگیهای مشابهی دارند یا خیر.
آیا افراد با ساختار مغزی خاصی مستعد ابتلا به اختلال دو قطبی هستند؟ این سؤال و بسیاری دیگر ممکن است روزی توسط برنامههای کامپیوتری که به جای مطالعه بیماران جدید، تصاویر بیماران قبلی را تحلیل مجدد میکنند، پاسخ داده شود.
در اینجا نمونههایی از اطلسهای مغزی که محققان میتوانند برای یافتن پاسخ از آنها استفاده کنند، آمده است:
- اطلس مغز موش آلن: مغز موش ۲۱,۰۰۰ ژن را بیان میکند. محققان، مغز موش را به قطعاتی برش داده و مکان بیان هر ژن را رنگآمیزی کردهاند. بازدیدکنندگان میتوانند عکسها یا مدلهای سهبعدی مغز را برای ژن مورد نظرشان مشاهده کنند.
- نقشه مغز آلن: قشر مخ ما، به ما اجازه میدهد فکر کنیم، استدلال کنیم و به یاد آوریم. محققان این بخش را نیز به قطعاتی برش دادهاند و مکان بیان ۱,۰۰۰ ژن – رو به افزایش- را نیز رنگآمیزی کردهاند (منبع: Allen Brain Map).
- اطلس کامل مغز: تصاویر مغز انسان را در حالی که پیر میشود و با بیماریها مبارزه میکند، ذخیره میکند (منبع: Becker).
تصاویر تنها منبع اطلاعاتی نیستند. در اینجا نمونههایی از پایگاههای دادهای که محققان مغز استفاده میکنند، آورده شده است:
- NeuronDB : نمودارهای جهتداری از نورونهای خاص در مغز انسان ارائه میدهد و به شما میگوید چه ورودیهایی باعث فعالیت آنها میشود.
- ModelDB : مدلهای ریاضی از چگونگی ارسال سیگنالهای الکتریکی توسط نورونها و شبکههای نورونی را ذخیره میکند. ویلسون (Wilson) میگوید: “مجموعهای از میلیونها سلول که این کار را انجام میدهند، به حرکت، احساس، شناخت، احساسات و تجربه انسانی تبدیل میشوند.” برای ساخت مدلی از عملکرد مغز، ما با این کار شروع میکنیم.
نقشه کامل مغز
پس از تصویربرداری به اندازه کافی از مغز جمعیتهای بزرگ برای تولید آمار، محققان نقشههای پیشرفتهای از مغز ایجاد کردهاند. نقشههایی وجود دارند که نشان میدهند چطور حجم مغز ما با پیری، پیشرفت ایدز و استفاده از متامفتامین (Methamphetamines؛ نوعی روانگردان-م) کاهش مییابد.
نقشه کامل مغز انسان چه شکلی خواهد بود؟ این بستگی به علایق شما دارد. اگر به دنبال شناخت ساختار مغز هستید، ممکن است بخواهید آن نسخه فرضی Google Earth را ببینید که میتواند از تصویر کورتکس (cortex) (لایه نازکی از جنس ماده خاکستری است که سطح مغز را می پوشاند – م) ما شروع شود و به سمت نورون شماره ۸۸۸,۸۹۸,۴۳۲,۸۵۷ بزرگ شود و زوم کند.
این نقشه کامل به سبک Google Earth در بسیاری از نقاط متوقف شده است. یکی از دلایل این توقف، تصویربرداری از تمام نورونهای مغز انسان و ارتباطات آنها است. به گفته جف لیچتمن زیستشناس دانشگاه هاروارد حتی به دست آوردن این داده در موش هم دشوار است.
نقشهبرداری مغز مگس میوه
برای سالهای متمادی، دانشمندان تنها قادر به تولید نقشههای کامل از نورونهای درهمتنیده در گونههای دارای “مغز” بسیار ساده با تنها چند صد نورون بودند. لیچتمن میافزاید: اولین مورد از این گونهها کرم Caenorhabditis elegans بود که طول آن یک میلیمتر و دارای ۳۰۰ سلول عصبی است.
در مارس ۲۰۲۳، محققان اولین کانکتوم یک مغز پیچیده، مربوط به لارو مگس میوه (Drosophila melanogaster) را منتشر کردند. مغز مگس میوه ممکن است ساده به نظر برسد تا زمانی که بدانید دارای ۳,۰۰۰ نورون و نیم میلیون سیناپس است. نقشهبرداری مغز مگس میوه بیش از پنج سال به طول انجامید.
نقشه کامل مغز انسان
تعریف شما از یک نقشه کامل مغز به علایقتان بستگی دارد. به عنوان مثال، اگر شما روانپزشک هستید، نقشه کامل مغز ممکن است یک تصویر زمانبندی شده باشد که نشان دهد چگونه اختلال دوقطبی از زمان تولد تا بروز اولین علایم در مغز آشکار میشود و لیتیوم (Lithium) چطور روند آن را متوقف میکند.
ممکن است این برای شما کافی نباشد. ممکن است بخواهید بدانید که عملکرد ذره ذره مغز چیست. متأسفانه، ممکن است این حد از پیشرفت غیرممکن باشد. به گفته نوروبیولوژیست چارلز ویلسون (Charles Wilson) ما نمیتوانیم کارکردهایی از مغز را که خیلی سریع یا خیلی کند اتفاق میافتند، ثبت کنیم.
فرآیندهای دیگر تمام عمر طول میکشند. هیچ مطالعه تصویربرداری وجود ندارد که از تولد تا مرگ فردی را دنبال کرده باشد. به گفته ویلسون: “هیچ روشی که ما از آن آگاه هستیم، تمام بازههای زمانی مورد علاقه را پوشش نمیدهد. هیچ روشی که ما میشناسیم بیش از قطعه کوچکی را پوشش نمیدهد”. در این مرحله، لیچتمن میگوید فعلاً هیچ تلاشی برای ادغام تمام این نقشهها در یک نقشه واحد صورت نگرفته است.
اما دلیلی هم وجود ندارد که ما نهایتاً هر یک – یا همه – این نقشهها را نداشته باشیم، به گفته ویلسون:
“مشکلات، همگی مشکلات عملی فناوری هستند که میتوان آنها را برطرف کرد. مانند هر نقشه دیگر، اگر با یک نقشه سطحی شروع کنیم، بهتر از نداشتن نقشه است. و به نقشه جدیدی نیاز نداریم. فقط اطلاعات را به نقشه قبلی اضافه میکنیم تا آن را دقیقتر کنیم. ما قرار نیست روزی برخیزیم و آن را داشته باشیم. ما امروز کمی، فردا کمی اضافه خواهیم کرد و در نهایت خواهیم گفت: ‘بهبه! بالاخره داره خوب میشه.'”
همه آن را استفاده میکنید!
این یک افسانه است که ما تنها ۱۰ درصد مغز خود را استفاده میکنیم. ما همه آن را استفاده میکنیم. تصاویر مغزی جمعاً، فعالیت در تمام بخشهای آن را مستند کردهاند. علاوه بر این، آسیب به یک ناحیه کوچک میتواند تواناییهای مهمی را از بین ببرد. برای اطلاع بیشتر درباره این افسانه ۱۰ درصدی مغز، به وبسایت پروفسور اریک چادلر (Eric Chudler) در دانشگاه واشنگتن (University of Washington) مراجعه کنید.