معمای چیستی مغز

او می‌گوید در‌برابر درک ما از نحوه عملکرد مغز، این گونه واکنش‌های مغز به ضربه، اندکی مرموز است. در واقع او معتقد است اگر ما مغز را اندام بیوشیمیایی و الکتریکی می‌دانیم پس چرا یک اتفاق مکانیکی مانند ضربه به صورت موجب بیهوشی فرد می‌شود؟ مسلما از دستکش مشتزن هیچ نوع انتقال الکتریکی صورت نگرفته و تمام چیزی که این میان وجود دارد یک موج ضربه مکانیکی است، با این حال او بیهوش می‌شود.

هیچ کس درمورد این‌که سلول‌های مغز با کمک علائم الکتریکی و بیوشیمیایی با هم گفت‌وگو می‌کنند شک ندارد؛ اما تایلر و محققان دیگر معتقدند این کل داستان نیست. به نظر می‌رسد که رشته‌های عصبی به صورت یک شبکه مکانیکی، درست مانند دندانه‌های یک ساعت کاملا تنظیم شده، به یکدیگر متصل شده است. نیروهایی که از میان آنها عبور می‌کند ممکن است به مغز در ذخیره کردن خاطره و تطبیق سریع با شرایط جدید کمک کند؛ روشی که برای ما کاملا ناآشناست. البته این روش درست مانند دستگاه‌های خوب روغن‌زده شده کار می‌کند.

درک این موضوع نه‌تنها ما را در حل پرسش‌های قدیمی مانند این‌که واقعا چه چیزی مغزمان را به فعالیت وامی‌دارد کمک می‌کند، بلکه بسرعت فواید کاربردی خود را نشان می‌دهد.

اول از همه، فهمیدن دلیل چنین به‌هم‌ریختگی‌ای در فرآیندهای مکانیکی ممکن است در درمان انواع جراحت‌های مغزی موثر باشد و حتی ما را به سمت اصلاح مشکلات مکانیکی مغز با استفاده از امواج صوتی هدایت کند. این روش برای درمان‌های غیرتهاجمی بیماری‌هایی چون صرع مناسب است.

مغز مکانیکی

نظریه مغز مکانیکی برای اولین بار به زمان جالینوس، پزشک یونانی قرن دوم میلادی برمی‌گردد. او به اشتباه معتقد بود که حفره‌های مغزی مایعات را درون اعصاب پمپ کرده و عملکردهای بدن را کنترل می‌کند. اما قرن‌های 18 و 19 مشخص شد که اعصاب حامل علائم الکتریکی‌ است و نه مایع مغزی و در دهه 1950 آلن هاجکین و اندرو هاکسلی نحوه کار این علائم الکتریکی را کشف کردند. آنها توضیح دادند که علائم طی فرآیندی به نام پتانسیل عمل از طریق الیاف عصبی منتقل می‌شود. ولی در همان زمان زمزمه‌هایی مبنی بر این‌که در این میان فرآیندهای مکانیکی نیز وجود دارد شنیده شد و اولین سرنخ‌ها از مشاهده اعصاب ماهی‌های مرکب به دست آمد. این ماهی‌ها با کوچک‌ترین تحریک جریان الکتریکی منقبض و متورم می‌شدند‌ اما این یافته تا سال 1980 مسکوت باقی ماند و سرانجام ایچیجی تاساکی در دانشگاه مریلند با مشاهده چیزی مشابه در عصب‌های چنگال‌های خرچنگ، دوباره آن را مطرح کرد. وقتی علائم الکتریکی در اعصاب چنگال خرچنگ حرکت می‌کرد، یک موج مکانیکی هم تولید می‌شد.

این یافته نشان داد انرژی به وسیله رشته‌های سلول‌های عصبی مبادله می‌شود. هاجکین و هاکسلی پتانسیل عمل را به صورت یک مدار الکتریکی مدل‌سازی کردند. چنین مداری حرارت را پراکنده می‌کند، اما چیزی نیست که بتوان به صورت آزمایشگاهی آن را مشاهده کرد: هنگام توزیع یک ضربه عصبی، از دست دادن حرارت کلی وجود ندارد. در هرحال، اگر ضربه عصبی بتواند مانند یک موج مکانیکی عمل کند و حرارت (به صورت خالص) آزاد و جذب شود مقدار انرژی به حد مطلوبی می‌رسد.

در این تحقیقات شاید مهم‌تر از همه، معلوم شد که سیستم عصبی ما به وسیله حرکت ـ در حد نانومتری ـ با مغز گفت‌وگو ‌و آن را برای درک مکانیکی آماده می‌کند.

محققان علاوه بر امواج مکانیکی که در امتداد اعصاب حرکت می‌کرد متوجه نیروهایی شدند که بین سلول‌های عصبی در سیناپس‌ها (محل تماس دو عصب) مبادله می‌شد. در اینجا علائم با کمک یون‌های باردار و انتقال‌دهنده‌های عصبی آزاد شده ارسال می‌شود. این مولکول‌ها از فواصل میان عصب‌ها عبور کرده و خود را به زائده قارچی‌شکل روی دندریت سلول عصبی بعدی می‌رسانند ‌. این عمل حرکت پیام به سمت جلو را تقویت کرده و موجب یک‌سری فعالیت‌های زنجیره‌ای می‌شود.

مهم‌تر از همه این زائده‌های دندریتی انعطاف‌پذیرند. اوایل دهه 1980 فرانسیس کرک ـ یکی از کاشفان ساختار دی.ان.ای ـ فرضیه‌ای ارائه داد مبنی بر این‌که این زائده‌ها ممکن است هنگام مبادله اطلاعات میان سلول‌های عصبی منقبض شوند و این تغییر شکل موجب افزایش قدرت عبور علامت میان دو سلول عصبی شود. بنابر اعتقاد کرک، این حرکات حتی می‌تواند در ذخیره خاطرات نقش داشته باشد. البته در آن زمان فناوری‌ای که با آن بتوان سیناپس‌ها را درست در زمان حرکت مشاهده کرد وجود نداشت، اما در سال 1998، با کمک میکروسکوپ‌های قوی از زائده‌های دندریتی فیلم گرفته ‌و معلوم شد که آنها، درست همان طوری که کرک گفته بود، براستی حرکت می‌کنند و در عرض چند ثانیه تغییر شکل می‌دهند. فهمیدن این‌که چه چیزهایی ـ درست مانند دندانه و چرخ‌های یک ساعت ـ این حرکات را موجب می‌شود سخت بود‌ اما یک دهه تحقیق چند احتمال را پیش رو‌ گذاشت.

حرکت در مغز

دندریت حاوی پروتئین‌هایی چون اکتین است که بنا بر شرایط موجود به صورت پلیمرهای بزرگ درمی‌آید یا به واحدهای کوچک‌تر خرد می‌شود. این فرآیند نیروهایی تولید می‌کند که احتمال دارد چنان قوی باشد که بتواند زائده‌های دندریتی را خم، منقبض و منبسط کند. زائده‌های دندریتی از یک طرف به بخش انتهایی آکسون و از طرف دیگر به زنجیره پروتئین‌های چسبنده متصل شده است، بنابراین با حرکت زائده دندریتی، بخش انتهایی آکسون هم به حرکت می‌افتد.

طاهر سیف و همکارانش در دانشگاه ایلینوی نشان دادند هرچه نیروی بیشتری روی بخش انتهایی یک آکسون اعمال شود، تعداد بیشتری از مولکول‌های انتقال‌دهنده عصبی در محل سیناپس آزاد می‌شود. به این ترتیب حرکات می‌تواند قدرت علامت و متعاقبا انعطاف در سیناپس را تغییر دهد؛ تغییرات مهمی که ممکن است ابزارمغز در ذخیره اطلاعات به هنگام یادگیری و به خاطرسپاری باشد. اما این تمام ماجرا نیست. حتی چنین ارتباطی بین سیناپس‌های مجاور نیز می‌تواند رخ دهد. تایلر توضیح می‌دهد که زائده‌های دندریتی در جایی قرار دارد که آکسون‌ها و میله‌های کوچکی به نام ریزلوله‌ها وجود دارد و می‌تواند همانند فنر در خود انرژی کش‌سانی ذخیره کند. به محض این‌که یکی از این زائده‌ها تحریک می‌شود مواد شیمیایی آزاد کرده و موجب تغییر در این ساختار شده ، زائده‌های مجاور را هل می‌دهد یا می‌کشد و به این ترتیب تعادل نیروها در سیناپس‌ها را تغییر می‌دهد.

هنوز کسی انتقال حرکت را درحین کار اندازه‌گیری نکرده است، اما شواهد غیرمستقیم نشان می‌دهد که اکتین و ریزلوله‌ها در واکنش به حرکت زائده حرکت می‌کند و سرعت این حرکات برای تحریک و به فعالیت واداشتن زائده‌های مجاور نیز بیش از مقدار کافی است. بنا به گفته تایلر، اگر این گونه باشد پس این ساز و کار برای ارسال علائم به مسیر دیگری به روند کار می‌افزاید تا به سیناپس‌ها برای هماهنگ کردن فعالیت‌شان در لحظه‌ای که ما خود را با شرایط موجود تطبیق می‌دهیم کمک کند. محققان با اعمال امواج فراصوت روی قشر جلویی مغز 31 داوطلب از جمله خود یکی از محققان به نام استوارت همروف که دچار دردهای مزمن بودند، تا اندازه‌ای به بهبود آنها کمک کردند. درد داوطلبان 40 دقیقه پس از دریافت امواج فراصوتی کاملا خوب و روحیه‌شان هم بهتر شده بود.

درمان با امواج فراصوت

گروه تحقیقاتی تایلر هنگام آزمایش روی موش‌های آزمایشگاهی و تحریک قشر حرکتی آنها با استفاده از ضربه‌های امواج فراصوتی، توانستند ناگهان دم و پنجه پاهای جلویی موش را جمع کنند و سبیلش را تکان دهند. آنها حتی در مغز موش الکترودهایی کار گذاشتند تا ثابت کنند که حرکات فعالیت عصبی با تحریک‌سازی به وسیله امواج فراصوت همراه است. این یافته‌ها نشان می‌دهد که نیروهای مکانیکی خارجی می‌تواند با فرآیندهای موجود در مغز تداخل پیدا کند و این موضوع به طور بالقوه راز مربوط به ضربات موثر مشتزن‌ها را توضیح می‌دهد.

اگر سیناپس‌ها و سلول‌های عصبی با نیروهای مکانیکی تنظیم شود، پس یک ضربه به سر می‌تواند تمام نیروهای ارسال علائم را درهم ریزد و بلافاصله کانال‌های یونی باز شده و گیرنده‌ها را تحریک کند. فرضیه‌ای می‌گوید این عمل تمام کانال‌های پتاسیم یا سدیم را باز می‌کند و موجب بیهوشی فرد می‌شود.

البته برخی از محققان معتقدند ممکن است شدت این امواج ضربه‌ای مانند امواج فراصوت از طریق ساز و‌کار‌های دیگری چون حرارت روی فعالیت مغز اثر بگذارد و حقیقتا تعاملی مکانیکی رخ ندهد.

اگر امواج فراصوتی بتواند موجب چنین فعالیت‌هایی شود، بنابراین احتمال دارد در آینده بتوان اختلالات مغزی را درمان کرد و این موضوع محققان را بسیار هیجان‌زده کرده است. در این روش مثلا به جای تحریک عمیق مغز از طریق الکترودهای کار گذاشته در مغز بیمارانی مانند مبتلایان پارکینسون و افسردگی که نیازمند جراحی است، صرفا می‌توان از امواج فراصوت استفاده کرد.

البته روش دیگری برای تحریک نواحی عمیق‌تر مغز وجود دارد که غیرتهاجمی و بدون عمل جراحی است. در این روش از تحریک‌سازی مغناطیسی سونوگرافی یا تحریک جریان مستقیم سونوگرافی استفاده می‌شود. به این ترتیب که روی پوست سر الکترود نصب کرده و از طریق جمجمه جریان الکتریکی یا مغناطیسی عبور داده می‌شود، اما در هردوی این روش‌ها میزان دسترسی به نواحی مورد نظر بسیار کم است. تایلر همچنین امیدوار است با این روش و فعال‌سازی همزمان چند ناحیه از مغز ‌جلوی حملات صرعی را بگیرد و حتی درد‌های مزمن را درمان کند.

focus/ مترجم: نادیا زکالوند