آریاطب
نقشهای به وسعت مغز | بزرگترین بازسازی سهبعدی مغز پستانداران در جهان
(Largest Mammalian Brain Map Ever Could Unpick What Makes Us Human)
خلاصهی مقدمهای
برای نخستین بار، دانشمندان موفق شدهاند از بخشی از مغز یک پستاندار، نقشهای سهبعدی و فوقالعاده دقیق ترسیم کنند؛ نقشهای که چنان جزئیاتی دارد که میتواند مسیرهای عصبی را تا کوچکترین شاخههایشان دنبال کند. این دستاورد شگفتانگیز، نهتنها درک ما را از نحوهی کار مغز متحول میکند، بلکه میتواند به پاسخ پرسشهای بنیادی نزدیکمان کند: هوشیاری از کجا میآید؟ رفتار چگونه شکل میگیرد؟ و در نهایت، چه چیزی ما را «انسان» میسازد؟
دروازهای به درون مغز
بزرگترین نقشهی سهبعدی از مغز یک پستاندار که تاکنون ساخته شده، تصویری بیسابقه از نحوهی اتصال و همکاری میلیاردها نورون به ما میدهد. این نقشه تنها بخش کوچکی از مغز — به اندازهی یک میلیمتر مکعب از قشر بینایی یک موش — را پوشش میدهد، اما همین ذرهی کوچک دنیایی از اطلاعات را در خود جای داده است.
با کمک این نقشه، پژوهشگران اکنون میتوانند مغز را با دقتی بینظیر بررسی کنند و رد فعالیتهای عصبی را در لحظههایی که رفتار شکل میگیرد دنبال کنند؛ از تماشای یک تصویر ساده تا فرآیندهای عمیقتر مانند آگاهی و تصمیمگیری.
«تمام رفتارهای ما در نهایت از فعالیت مغزمان سرچشمه میگیرند، و بافت مغز میان تمام پستانداران، از موش گرفته تا انسان، شباهتهای فراوانی دارد.»
این را فُرِست کالمن از مؤسسه آلن علوم مغز در سیاتل میگوید. «به همین دلیل معتقدیم که مطالعهی مغز موش میتواند کلید درک مغز انسان باشد.»
عبور از مرزهای غیرممکن
دستاوردی که امروز ممکن شده، همان چیزی است که زیستشناس نامدار فرانسیس کریک در سال ۱۹۷۹ «غیرممکن» خوانده بود.
این پروژه عظیم، هفت سال زمان برد و بیش از ۱۵۰ پژوهشگر از سه مؤسسه مختلف در آن همکاری کردند.
ماجرا از جایی شروع شد که پژوهشگران فعالیت نورونی بخش کوچکی از قشر بینایی موش را — در حالی که مشغول تماشای فیلمها و ویدیوهای یوتیوب بود — ثبت کردند.
سپس گروه دوم وارد عمل شد: آنها همان بخش از مغز را به لایههایی با ضخامت باورنکردنی، حدود یکچهارصدم قطر موی انسان، برش دادند و از هر لایه تصویری با وضوح بالا گرفتند.
فرآیند برش بهقدری ظریف بود که حتی لحظهای توقف میتوانست به بافت آسیب بزند؛ بنابراین پژوهشگران شبانهروز و بهصورت شیفتی کار کردند.
«ما دوازده روز و دوازده شب، بدون وقفه، این مکعب کوچک بافت را به حدود ۳۰ هزار لایه تقسیم کردیم.» این را نونو دا کوستا، از اعضای مؤسسه آلن، توضیح میدهد.
بازسازی مغز با کمک هوش مصنوعی
وقتی تصاویر به دست آمد، نوبت به گروه سوم رسید تا با استفاده از هوش مصنوعی (AI)، هر سلول را شناسایی و مسیرهای ارتباطی آن را بازسازی کنند.
کالمن میگوید: «این کار شبیه درخواست از هوش مصنوعی برای رنگآمیزی سختترین کتاب رنگآمیزی دنیا بود! تصور کنید صد میلیون تصویر سهبعدی دارید و باید هر سلول را با رنگی متفاوت مشخص کنید. AI باید تصمیم بگیرد که یک سلول کجا تمام میشود و سلول بعدی از کجا آغاز میشود.»
در نهایت، دادههای بهدستآمده از این بازسازی با اطلاعات عملکردی اولیه ترکیب شدند تا فعالیتهای نورونی هنگام تماشای فیلم، مستقیماً به اتفاقات درون مغز مرتبط شود.
پیچیدگی خیرهکننده
نتیجهی کار، تصویری حیرتانگیز از مغز ارائه داد.
در همان حجم کوچک یک میلیمتر مکعب، بیش از ۲۰۰ هزار سلول عصبی شناسایی شد که با چهار کیلومتر شاخهی عصبی به هم متصل بودند — و مجموعاً ۵۲۳ میلیون سیناپس میانشان برقرار بود.
اما این دادهها تنها به نمایش اعداد ختم نمیشوند؛ بلکه مفاهیم بنیادینی را در مورد نحوهی ارتباط نورونها به چالش میکشند. برخلاف آنچه پیشتر تصور میشد، نورونها فقط به سلولهای نزدیک خود متصل نمیشوند، بلکه بهطور فعال به دنبال نورونهایی میگردند که وظیفهی مشابهی در پردازش تصویر دارند — رفتاری که از پیچیدگی و هدفمندی بیشتر مغز خبر میدهد.
پر کردن شکاف میان نورون و رفتار
پژوهشگران امیدوارند این نقشه بتواند فاصلهی میان فعالیتهای عصبی و رفتار را پر کند و راه را برای درک ویژگیهای پیچیدهای مانند هوش هموار سازد.
ناتالی روشهفورت از دانشگاه ادینبورگ میگوید:
«این پژوهش پیشگامانه، منبعی بیقیمت برای جامعهی علمی خواهد بود و به ما کمک میکند سازوکارهای مغزی را با دقتی که پیش از این ممکن نبود، مطالعه کنیم.»
به گفتهی دا کوستا، فراتر از کاربردهای فعلی، این دادهها میتوانند در آینده به آزمودن نظریههای مربوط به هوشیاری (consciousness) کمک کنند.
او میگوید: «اگر کسی نظریهای دربارهی چگونگی پیدایش هوشیاری دارد، حالا میتواند با رجوع به این دادهها از آن پرسش کند — و ببیند نظریهاش دوام میآورد یا نه.»
فراتر از موشها
این پروژه بر پایهی مطالعهای دیگر بنا شده که سال گذشته منتشر شد و موفق شد تمام نورونهای مغز یک مگس بالغ را نقشهبرداری کند — دستاوردی که به گفتهی روشهفورت، انقلابی در علم عصبشناسی ایجاد کرد.
برای نمونه، آن پژوهش به دانشمندان کمک کرد تا ریتمهای شبانهروزی (circadian rhythms) — چرخههایی که خواب، بیداری و متابولیسم را تنظیم میکنند — بهتر درک کنند.
اکنون نقشهی جدید مغز پستانداران، به پژوهشگران این امکان را میدهد تا با مقایسهی آن با مغز گونههای دیگر، تشخیص دهند کدام سلولها، الگوهای ارتباطی یا ویژگیهای عملکردی مختص یک گونه هستند و کدام در میان چندین گونه مشترکاند.
«در نهایت،» روشهفورت میگوید، «این مقایسهها به ما کمک میکند بفهمیم دقیقاً چه چیزی ما را انسان میکند.»
انتشار یافتهها
نتایج این پروژهی عظیم در قالب هشت مقالهی پژوهشی در مجلات گروه Nature منتشر شده است — گامی بزرگ به سوی درک یکی از پیچیدهترین ساختارهای شناختهشده در جهان: مغز.
یوتیوب مصرفی