آیا می‌توان در دل ذره‌ای به کوچکی یک میلی‌متر مکعب، دنیایی به پیچیدگی یک کهکشان را کشف کرد؟ شاید تا چند سال پیش این پرسش شبیه خیال‌پردازی به‌نظر می‌رسید. اما حالا، پژوهشگران توانسته‌اند دقیق‌ترین و گسترده‌ترین نقشه‌ی سیم‌کشی مغز ترسیم شده تا کنون، از یک پستاندار را تهیه کنند؛ نقشه‌ای که تنها یک میلی‌متر مکعب از مغز موش را به تصویر کشیده است.

پژوهشگران موفق شده‌اند دقیق‌ترین و گسترده‌ترین نقشۀ سیم‌کشی مغز یک پستاندار را تا به امروز ترسیم کنند؛ این نقشه پیچیده حاصل بررسی و نقشه‌برداری از تنها یک میلی‌متر مکعب از بافت مغز موش است. این کار بزرگ نه‌تنها ساختار مغز را با جزئیاتی بی‌سابقه نمایش می‌دهد، بلکه برای نخستین بار در مقیاسی وسیع، فعالیت نورون‌های منفرد را هم ثبت کرده است؛ گامی مهم در دانش عصب‌شناسی و درک ما از اندامی که ما را می‌سازد.

نقشۀ سه‌بعدی‌ای که از این بخش کوچک ‌مغز تهیه‌شده، بیش از ۲۰۰ هزار سلول مغزی را در خود جای داده است؛ حدود ۸۲ هزار تای آن‌ها نورون هستند، یعنی سلول‌هایی که اطلاعات را از طریق سیگنال‌های الکتریکی منتقل می‌کنند. در این نقشه همچنین بیش از ۵۰۰ میلیون اتصال عصبی (سیناپس) و بیش از ۴ کیلومتر رشته‌های عصبی دیده می‌شود، که همگی در بخشی از مغز جای گرفته‌اند که در پردازش بینایی نقش دارد. تا پیش‌ازاین، تنها نقشۀ مشابه، مربوط به یک میلی‌متر مکعب از مغز انسان بود که شامل ۱۶ هزار نورون و ۱۵۰ میلیون سیناپس می‌شد. تصور اینکه تنها در یک میلی‌متر مکعب از مغز موش تنها چهار کیلومتر رشته عصبی به فعالیت مشغول است شاید نمای خیره‌کننده‌ای از پیچیدگی کامل مغز را به ذهن بیاورد.

در نقشۀ جدید، نه‌تنها ساختار، بلکه فعالیت هم‌زمان ده‌ها هزار نورون در هنگام پردازش اطلاعات بینایی نیز ثبت‌شده است. ترکیب این نقشۀ ساختاری با نقشۀ فعالیت، نقطه عطفی در حوزه‌ای به نام «کانکتومیکس» (connectomics) محسوب می‌شود؛ دانشی که می‌کوشد بفهمد مغز چگونه اطلاعات را سازمان‌دهی و پردازش می‌کند.

پشت این تلاش عظیم، پروژه‌ای به‌نام MICrONS (شبکه‌های قشری و هوش ماشینی) قرار دارد؛ که از همکاری بیش از ۱۵۰ پژوهشگر نیرو می‌گیرد. یافته‌های آن‌ها در قالب هشت مقاله در نشریات Nature و Nature Methods منتشر شده و همۀ داده‌ها برای استفادۀ عمومی پژوهشگران عصب‌شناسی به‌صورت آنلاین در دسترس قرارگرفته‌اند. برخی گروه‌های پژوهشی هم‌اکنون در حال استفاده از این داده‌ها برای تحقیقات تازه هستند.

دکتر مارلا پتکووا، عصب‌شناسی از دانشگاه هاروارد که در این پروژه دخیل نبوده، می‌گوید: «آن‌ها کاری را انجام داده‌اند که جامعۀ علمی عصب‌شناسی تاکنون موفق به انجامش نشده بود؛ یعنی نگاشت فعالیت نورون‌ها روی ساختار اتصال‌های آن‌ها، آن هم در مقیاسی وسیع. تاکنون چنین چیزی ندیده بودیم»

فورست کالمن، از موسسۀ علوم مغز آلن در سیاتل و یکی از نویسندگان مقاله‌ها، دربارۀ این داده‌ها می‌گوید: «داده‌ها به طرز خیره‌کننده‌ای زیبا هستند. وقتی به آن‌ها نگاه می‌کنید، احساس شگفتی از پیچیدگی مغز به شما دست می‌دهد، حسی مشابه تماشای آسمان پرستاره در شب.»

موشی که فیلم ماتریکس دید!

برای ساخت این نقشۀ بی‌سابقه، دانشمندان ابتدا فعالیت حدود ۷۶ هزار نورون را در قشر بینایی مغز موش هنگام تماشای ویدیوهای مختلف ثبت کردند. یکی از این ویدیوها، صحنه‌هایی از فیلم ماتریکس بود! این کار دو ساعت به‌طول انجامید.

سپس، آن بخش از مغز را به هزاران برش نازک، هر کدام حدود یک چهارصدم ضخامت موی انسان، تقسیم کردند. از هر برش عکس گرفتند و با کنار هم گذاشتن آن‌ها، یک نقشۀ سه‌بعدی از مغز ساختند. برای شناسایی دقیق نورون‌ها، شاخه‌های آن‌ها و اتصال‌های سیناپسی، از هوش مصنوعی و الگوریتم‌های یادگیری ماشین استفاده کردند. در نهایت، توانستند فعالیت ثبت‌شدۀ نورون‌ها را با جایگاهشان در نقشۀ ساختاری مطابقت دهند.

به‌گفتۀ دکتر موریس هلم‌اشتتر از موسسۀ تحقیقات مغز ماکس پلانک در فرانکفورت، «ترکیب ساختار و عملکرد در این مقیاس، بی‌سابقه است. این کار، یک موفقیت چشمگیر است»

نورون‌هایی که با هم آتش می‌زنند، با هم سیم‌کشی می‌شوند!

یافته‌های این پژوهش سرنخ‌هایی از قوانین پایه‌ای حاکم بر شبکه‌های عصبی مغز موش را نیز ارائه کرده‌اند. مثلاً پژوهشگران دریافتند نورون‌هایی که به ویژگی‌های بصری مشابهی پاسخ می‌دهند — مثل شکل یا جهت حرکت خاص — اغلب حتی اگر فاصلۀ زیادی از هم داشته باشند، اتصال‌های بیشتری با هم برقرار می‌کنند نسبت به نورون‌هایی که به ویژگی‌های متفاوتی واکنش نشان می‌دهند.

این موضوع پیچیدگی تازه‌ای به نظریه‌ای قدیمی در عصب‌شناسی می‌افزاید؛ نظریه‌ای که می‌گوید: «نورون‌هایی که همزمان فعال می‌شوند، تمایل دارند به هم متصل شوند». مطالعات قبلی این نظریه را فقط در مقیاس‌های کوچک بررسی کرده بودند. اما حالا، داده‌های پروژۀ MICrONS نشان می‌دهند که این قاعده در بخش‌های مختلف مغز، شدت و تنوع متفاوتی دارد.

دکتر کلی رید، عصب‌شناس از موسسۀ آلن و یکی از نویسندگان مقاله‌ها، می‌گوید: «ما هنوز در آغاز راه فهم ارتباط ساختار و عملکرد مغز هستیم. این داده‌ها می‌توانند به کشف ویژگی‌ها و فرآیندهای گوناگون در مغز کمک کنند.»

هلم‌اشتتر هم می‌افزاید که نقشه‌های جدید می‌توانند به درک ما از نحوۀ ذخیره و بازیابی خاطرات بصری در مغز کمک کنند، مثل «یادآوری جشن تولد قبلی‌مان یا خاطره‌ای از پدربزرگ و مادربزرگ». این‌ها از بزرگ‌ترین پرسش‌های بی‌پاسخ دربارۀ قشر مغز پستانداران هستند.

جالب آن‌که، با وجود همۀ این پیشرفت‌ها، نقشۀ تازه فقط حدود ۰/۲ درصد از مغز موش را در بر می‌گیرد. اما به‌گفتۀ دکتر نونو ماکاریکو دا کوستا، عصب‌شناس موسسۀ آلن، تیم MICrONS در حال آزمایش فناوری‌هایی برای نقشه‌برداری از کل مغز موش هستند.

این یافته‌ها از یک‌سو چالش عظیم پیش روی ما برای درک نسبتاً کامل از عملکرد مغز انسان و نحوه کار آن را به یاد می‌آورد و از سوی دیگر یادآور مهمی است که چطور ما باید با پیشرفت علم دقیق بسیاری از باورها و روش‌های خود را اصلاح کنیم. برای مثال اگر در درمان ناهنجاری ذهنی خاصی شاید به نقش اتفاقی در گذشته و خاطره آن تأکید می‌شود باید پرسید که با درک تازه ما از نحوه ذخیره‌سازی مغز چطور این روند باید توجیه شود و یا اینکه نیازمند انقلابی در حوزه‌های متعدد هستیم. حوزه‌هایی که از فلسفه گرفته تا  روان‌شناسی و تعاملات و تعریف ما از خود و جهان را شامل می‌شوند.

از سوی دیگر این پیچیدگی یادآور دیگری است که در برابر ادعاهای عجیب و بازاری مانند اینکه مثلاً تا چند سال دیگر امکان انتقال و کپی مغز ممکن می‌شود باید به شکل نقادانه و منطقی طلب دلیل و مدرک کرد.

منبع: Nature