فعالیت نورون‌ها در مغز تابع شکل مغز است

به گزارش خبرگزاری صدا و سیما به نقل از ساینس؛ مغز انسان یک اندام بسیار پیچیده است که از حدود ۸۶ میلیارد نورون تشکیل شده است که توسط تریلیون‌ها اتصال به هم مرتبط شده‌اند. برای دهه‌ها، دانشمندان بر این باور بودند که ما باید این ارتباط پیچیده را با جزئیات ترسیم کنیم تا بفهمیم چگونه الگو‌های ساختاری فعالیت که افکار، احساسات و رفتار ما را تعریف می‌کنند، ظاهر می‌شوند. حال یک مطالعه جدید که در نشریه Nature منتشر شده است، این دیدگاه را به چالش می‌کشد. این مطالعه به این نتیجه رسیده است که، الگو‌های فعالیت در نورون‌های ما بیشتر تحت‌تاثیر شکل مغز، شیارها، خطوط و چین خوردگی‌های آن، قرار می‌گیرد تا پیوند‌های پیچیده آن. دیدگاه مرسوم این است که افکار یا احساسات خاص باعث ایجاد فعالیت در بخش‌های خاصی از مغز می‌شوند. با این حال، این مطالعه الگو‌های ساختاری فعالیت را در تقریباً کل مغز نشان می‌دهد که به افکار و احساسات مربوط می‌شود، به همان شکلی که یک نت موسیقی از ارتعاشاتی که در تمام طول یک سیم ویولن رخ می‌دهد، نه فقط یک بخش جدا شده، ناشی می‌شود.

 

محققان این رابطه نزدیک بین شکل و عملکرد را با بررسی الگو‌های طبیعی تحریکی که می‌تواند توسط آناتومی مغز پشتیبانی شود، کشف کردند. در این الگو‌ها که "حالت‌های ویژه" نامیده می‌شوند، بخش‌های مختلف مغز همگی در یک فرکانس تحریک می‌شوند. نت‌های موسیقی که توسط یک سیم ویولن نواخته می‌شوند را در نظر بگیرید. نت‌ها از الگو‌های ارتعاشی ترجیحی رشته ناشی می‌شوند که در فرکانس‌های تشدید خاصی رخ می‌دهند. این الگو‌های ترجیحی، مدل‌های ویژه رشته هستند. آن‌ها توسط خواص فیزیکی ریسمان مانند طول، چگالی و کشش آن تعیین می‌شوند. به همین ترتیب، مغز نیز الگو‌های ترجیحی تحریک خود را دارد که توسط ویژگی‌های آناتومیکی و فیزیکی آن تعیین می‌شود. ما تصمیم گرفتیم مشخص کنیم که کدام ویژگی‌های آناتومیکی خاص مغز به شدت بر این الگو‌ها تاثیر می‌گذارند.

 

طبق یک دانسته مرسوم، شبکه پیچیده ارتباطات مغز اساساً فعالیت آن را شکل می‌دهد. این دیدگاه مغز را به عنوان مجموعه‌ای از مناطق مجزا می‌بیند که هر یک برای عملکرد خاصی مانند بینایی یا گفتار تخصصی هستند. این نواحی از طریق فیبر‌های متصل به هم به نام آکسون با هم ارتباط برقرار می‌کنند. یک دیدگاه جایگزین، که با رویکردی برای مدل سازی فعالیت مغز به نام نظریه میدان عصبی تجسم یافته است، از این تقسیم مغز به مناطق گسسته اجتناب می‌کند. این دیدگاه بر چگونگی حرکت مداوم امواج تحریک سلولی در بافت مغز، مانند امواج تشکیل شده توسط قطرات باران که به داخل یک برکه می‌ریزند، تمرکز دارد. درست همانطور که شکل برکه، الگو‌های احتمالی تشکیل شده توسط موج‌ها را محدود می‌کند، الگو‌های فعالیت موج مانند فعالیت تحت تأثیر شکل سه بعدی مغز قرار می‌گیرند.

 

اکسیژن توسط هموگلوبین به نورون‏ها تحویل داده می‌شود. وقتی فعالیت نورونی افزایش می‌یابد، تقاضا برای اکسیژن توسط نورون‌ها بالا می‌رود، در نتیجه جریان خون در محل فعالیت نورون‏ها افزایش می‌یابد. هموگلوبین حاوی اکسیژن خاصیت مغناطیسی دارد. این ویژگی خون باعث ایجاد تفاوت کوچک در سیگنال تشدید مغناطیسی (MR) می‌شود. از آنجا که میزان اکسیژن خون بسته به سطح فعالیت نورونی تغییر می‌کند، می‏توان از این تغییرات برای ثبت فعالیت مغزی استفاده نمود. از آنجا که در این نوع تصویربرداری فعالیت مغزی ثبت می‌شود، به آن تصویر برداری تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI) گفته می‌شود.

 

برای مقایسه دو نمای مغز، محققان آزمایش کردند که چگونه نمای متعارف، گسسته و نمای پیوسته مبتنی بر موج می‌توانند بیش از ۱۰ هزار نقشه مختلف از فعالیت مغز را توضیح دهند. نقشه‌های فعالیت از هزاران آزمایش تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI)، در حالی که افراد تحت آزمایش طیف گسترده‌ای از وظایف شناختی، عاطفی، حسی و حرکتی را انجام می‌دادند، به دست آمد. محققین تلاش کردند تا هر نقشه فعالیت مغز را با استفاده از مدل‌های ویژه براساس اتصال مغز و مدل‌های ویژه براساس شکل مغز توصیف کنند. آن‌ها دریافتند که مدل‌های ویژه مبتنی بر شکل مغز، و نه اتصالات آن، دقیق‌ترین گزارش را از این الگو‌های فعال سازی مختلف ارائه می‌دهند.

 

محققان می‌گویند ما از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای استفاده کردیم تا تأیید کنیم که ارتباط نزدیک بین شکل و عملکرد مغز توسط فعالیت‌های موج مانندی که در سراسر مغز منتشر می‌شود، هدایت می‌شود. شبیه سازی‌ها بر یک مدل موجی ساده متکی بودند که به طور گسترده برای مطالعه سایر پدیده‌های فیزیکی، مانند زلزله و جریان‌های اقیانوسی نیز استفاده می‌شود. این مدل تنها از شکل مغز برای محدود کردن چگونگی تکامل امواج در طول زمان و مکان استفاده می‌کند. این مدل با وجود سادگی، فعالیت مغز را بهتر از یک مدل پیچیده‌تر و پیشرفته‌تر توضیح می‌دهد که سعی می‌کند جزئیات فیزیولوژیکی کلیدی فعالیت نورون‌ها و الگوی پیچیده اتصال بین مناطق مختلف مغز را ثبت کند. آن‌ها همچنین دریافتند که، بیشتر از ۱۰ هزار نقشه مغز که بررسی شد، با الگو‌های فعالیت تقریباً کل مغز مرتبط بودند. این نتیجه مجددا نظریه عقل متعارف را به چالش می‌کشد که می‌گوید، فعالیت در حین انجام وظایف در مناطق مجزا و ایزوله مغز رخ می‌دهد. در واقع، این امر نشان می‌دهد که رویکرد‌های سنتی برای نقشه‌برداری مغز ممکن است تنها نوک کوه یخی را در مورد درک نحوه عملکرد مغز آشکار کند. در مجموع، این یافته‌ها نشان می‌دهد که مدل‌های فعلی عملکرد مغز باید به روز شوند و به جای تمرکز صرف روی نحوه عبور سیگنال‌ها بین مناطق گسسته، باید نحوه عبور امواج تحریکی از مغز را نیز بررسی کنیم. به عبارت دیگر، امواج در یک برکه، ممکن است تشبیه مناسب تری برای عملکرد مغز در مقیاس بزرگ نسبت به یک شبکه مخابراتی باشد.

 

رویکردی جدید برای نقشه برداری مغز

 این رویکرد بر قرن‌ها کار در فیزیک و مهندسی استوار است. در این زمینه‌ها، عملکرد یک سیستم با توجه به محدودیت‌های تحمیل شده توسط ساختار آن، همانطور که توسط حالت‌های ویژه سیستم تجسم یافته است، درک می‌شود. این رویکرد به طور سنتی در علوم اعصاب استفاده نشده است. در عوض روش‌های معمول نقشه‌برداری مغز، بر آمار‌های پیچیده برای تعیین کمیت فعالیت مغز، بدون هیچ ارجاعی به اساس فیزیکی و آناتومیکی آن الگو‌ها تکیه می‌کنند. استفاده از مدل حالت‌های ویژه راهی برای استفاده از اصول فیزیکی برای درک اینکه چگونه الگو‌های متنوع فعالیت از آناتومی مغز ناشی می‌شود، ارائه می‌دهد. این کشف همچنین فواید عملی فوری را نیز ارائه می‌کند، زیرا مدل حالت‌های ویژه شکل مغز، بسیار ساده‌تر از مدل‌های اتصال مغز هستند.