کانــکتـــوم

«این اتصالات عصبی مغزمان است که تعیین می‌کند ما دقیقاً چه کسی باشیم و چه رفتاری داشته باشیم».
در طول سالیان طولانی مشکل اساسی بسیاری از دانشمندان علوم اعصاب، پیدا کردن رابطه‌ای منطقی بین آناتومی مغز و عملکردهای آن بوده است. حتی پیدایش فناوری‌هایی همچون DTI ،fMRI ،MEG و … نیز قانع‌کننده نبوده است، چراکه شاید بتوانیم با این فناوری‌ها به عملکرد قسمت خاصی از مغز انسان پی ببریم و یا مسیر خاصی را در مغز شناسایی کنیم، اما همواره این سؤال که مغز دقیقاً چگونه اطلاعات را پرداش می‌کند و دقیقاً چه فرآیندی رخ می‌دهد بی‌پاسخ مانده یا پاسخی ناقص داشته است. در واقع هر روز که چیز جدیدی یاد میگیریم یا خاطره‌ای در ذهنمان ثبت می‌شود، نوع اتصالات در مغزمان تغییر می‌کند. حتی بیان ژن‌ها نیز دستخوش تغییر می‌شود. این ویژگی جالب مغز ما باعث شد تا اهمیت بررسی دقیق مغز بیش از پیش روشن شود و دانشمندان علوم اعصاب به این نتیجه رسیدند که برای تحلیل چنین ارگان پیچیده‌ای احتیاج به مقدار زیادی داده دارند. داده‌هایی که باید با یک روش درست جمع‌آوری شوند و سپس ابرکامپیوترهایی بس گرانقیمت آن‌ها را تحلیل کنند. بی‌جهت نیست که کابانای فیلسوف می‌گوید:
کبد فقط صفرا ترشح می‌کند، ولی مغز همه چیز را ترشح می‌کند!
شاید این داستان از هزار سال پیش شروع شد. ابن هیثم، دانشمند بزرگ قرن چهارم هجری برای اولین بار مسیر عصبی بینایی انسان را ترسیم کرد (تصویر زیر). کشفی حیرت آور که نشان داد درک مکانیسم عملکردهای مغز (مانند بینایی و درک جهان پیرامون)، برای دانشمندان و فیلسوفان، بسیار شگفت‌انگیز و جالب بوده است.

نکته‌ی جالب در این عکس توجه او به جزئیاتی همچون عبور بخشی از رشته‌های بینایی از کیاسمای بینایی به نیمکره‌ی مقابل است که اهمیت این طراحی را دوچندان می‌کند.
این نقاشی مانند جرقه‌ای بود تا کم کم اما خیلی دیرتر از بسیاری از رشته‌های علمی، علوم اعصاب مدرن پایه‌گذاری شود. اما علوم اعصاب مدرن بیش از هرکس دیگری مدیون دانشمند علوم اعصاب، پزشک و پاتولوژیست معروف، سانتیاگو رامون کاخال، است. کاخال از همان ابتدا شیفته‌ی پویایی و تحرک بود و مشاهده‌ی حرکت ماهیچه در زیر میکروسکوپ بیش از هرچیز دیگری او را به وجد می‌آورد. اما دیری نپایید که او مغز را بیش از هر اندام دیگری درخور توجه دید. کاخال با استفاده از روشی که کامیلو گلژی قبلتر ابداع کرده بود، بافت عصبی را مورد مطالعه قرار داد و نقاشی‌های بسیاری از مشاهدات خود تهیه کرد. این توانایی منحصر به فرد کاخال که در دوران کودکی به خاطر پرداختن به آن همواره سرزنش‌های پدرش را تحمل می‌کرد، به کمکش آمده بود. او توانست به این وسیله جزئیات بسیاری را در اختیار جهانیان قرار دهد. او طی مشاهدات خود متوجه شد که بافت عصبی از سلول‌های بسیاری تشکیل شده است که این سلول‌ها به طرز عجیبی به هم متصل و مرتبط هستند و این ارتباط از الگوهای مشخصی پیروی می‌کند. شکل زیر نشان می‌دهد که کاخال تا چه حد به جزئیات اهمیت می‌داد. در این شکل که کاخال در سال 1902 کشیده است می‌توان مسیر بینایی از شبکیه‌ی چشم به گانگلیون‌های بینایی و سپس از طریق آکسون‌های طویل به سمت هسته‌های جانبی تالاموس و سپس به کورتکس را مشاهده کرد. نکته‌ی جالبی که می‌توان از این نقاشی‌ها دریافت این است که کاخال به جهت انتقال پیام عصبی نیز توجه کرده بود؛ به طوری که نه تنها مسیرهایی که به کورتکس و تالاموس منتهی می‌شد، رسم شده‌اند، بلکه بازخورد آن پیام‌ها یا مسیرهای فیدبک نیز به وسیله‌ی پیکان‌هایی به تصویر درآمده است تا شاهکار کاخال تکمیل شود. استفاده از میکروسکوپ به همراه روش بدیع گلژی برای رنگ‌آمیزی بافت عصبی به علاوه‌ی مهارت بالا در نقاشی و همچنین دانش آناتومی به کاخال کمک کرد تا چیزی را مشاهده کند که تا آن زمان قابل مشاهده نبود. این نشان می‌دهد که علوم اعصاب تا چه حد به علوم دیگر وابسته است.

هر بار که در طول تاریخ پیش می‌رویم، آمیخته‌ای از علم اعصاب و تکنولوژی توانسته است جهشی بزرگ در درک ما از مغز را به دنبال داشته باشد. اما این پایان راه نبود. برودمن، نورولوژیست آلمانی، قشر مغز انسان را باتوجه به شکل و ساختار سلول‌های آن به 52 ناحیه تقسیم کرد. شکل زیر نتایج کار برودمن را که در سال 1909 منتشر شد، به صورت خلاصه نشان می‌دهد.

بعد از برودمن تلاش‌های زیادی برای طبقه‌بندی هرچه بهتر و دقیقتر ساختارمغز صورت گرفت (Talairach & tornoux 1988) اما در اواخر قرن بیستم اختراع fMRI توانست دانشمندان علوم اعصاب را بیش از پیش نسبت به حل معمای مغز امیدوار کند.
مطالعات زیادی تا سال 2009 (یعنی زمانی که پروژه‌ی تکمیل کانکتوم انسان کلید خورد) روی مغز انجام گرفت و در این مدت نتایج جالبی به دست آمد و تا حدودی دیدگاه‌ها به مغز و ساختار آن نیز تغییر کرد.
یکی از جدیدترین پروژه‌هایی که توجه بسیاری از علاقه‌مندان به علوم اعصاب را به خود جلب کرده است، پروژه‌ی کانکتوم انسان است.
کانکتوم را می‌توان جامع‌ترین نقشه‌ی مغز نامید؛ نقشه‌ای که در آن تمام اتصالات سیستم عصبی، مسیرها و عملکرد سلول‌ها و همچنین مدارهای مغزی وجود دارد. پروژه‌ی کانکتوم مغز انسان که سال پیش(این مقاله در سال 1396 نوشته شده است) فاز اولش تمام شد، دستاوردهای عظیمی داشت که در این مقاله به مهم‌ترین آن‌ها اشاره خواهیم کرد. در طی فاز اول پروژه‌ی کانکتوم انسان مغز صدها نفر به وسیله‌ی دقیقترین دستگاه‌های اسکن مغزی و همچنین تکنولوژی‌های پیشرفته (DTI ,fMRI ,MRI و…) به دقت بررسی شد(مطالعه‌ای که 6 سال طول کشید).
1200 نفر به وسیله‌ی دستگاه سه تسلای MRI مورد مطالعه قرار گرفنتد. مغز 184 نفر به وسیله‌ی دستگاه بسیار دقیقتر 7 تسلا اسکن شد. اطلاعات مربوط به ویژگی‌های جمعیتی و رفتاری نیز جمع آوری شدند (478 نفر). حدود 95 نفر نیز مورد مطالعه‌ی MEG قرار گرفتند.
اما آنالیز داده‌های به دست آمده اهمیت این پروژه را نشان می‌دهد، چرا که در طی پروژه‌ی کانکتوم مغز انسان سعی شده است تا هم از نظر سخت‌افزاری و استفاده از دستگاه‌هایی با رزولوشن بالا و هم از نظر تحلیلی و استفاده از جدیدترین الگوریتم‌ها برای تحلیل داده‌ها دقت نتایج حاصل به اوج خود برسد. تحلیل هر چه دقیقتر این داده‌ها دانشمندان را به سمت این واقعیت سوق می‌دهد که افراد مختلف کانکتوم‌های مختلفی دارند. حتی به وسیله‌ی داده‌هایی که به دست آمده است می‌توان پیش‌بینی کرد که چه کسی یک تکلیف مخصوص را سریعتر جواب می‌دهد یا به چه بازه‌ی زمانی برای حل آن احتیاج خواهد داشت. مشاهده‌ی تفاوت‌های فردی در مغز انسان‌ها می‌تواند در هر چه دقیقتر کردن مطالعاتی که روی سیستم عصبی انجام می‌شود، کمک کند و از اشتباهات احتمالی جلوگیری‌ کند. همچنین دانشمندان بسیار به این رؤیا که روزی می‌توان از ویژگی‌های مغز همه‌ی افراد به عنوان چیزی منحصر به خود افراد (مانند اثر انگشت) استفاده کرد، نزدیک‌تر شده‌اند.
داده‌هایی که طی این مدت در این پروژه به دست آمده در طی سال‌های 2013 تا 2016 به طور مستمر منتشر می‌شده است و حجم این داده‌ها بالغ بر 9.5 پتابایت یا 9500 ترا بایت تخمین زده شده است!

می‌توان مطالعه‌ی کانکتوم را در سه سطح گسترده طبقه‌بندی کرد:

1- سطح ماکروکانکتوم: در این مطالعه می‌توان اتصالاتی را که بین نواحی مختلف مغز هستند، مورد مطالعه قرار داد. در این روش،‌ دسته‌های عظیمی از سلول‌های عصبی و عملکرد آنها و همچنین ارتباط آنها با سایر نواحی مغز مورد مطالعه قرار می‌گیرند. نواحی مورد مطالعه نواحی عظیمی (مثلاً یک voxel ) از مغز هستند که به طور متوسط یک تا دو میلیمتر اندازه دارند.
2- سطح مزو کانکتوم: مطالعه‌ای در سطح سلولی است، ولی می‌توان در آن فاصله‌های به نسبت زیاد را نیز در مغز مورد مطالعه قرار داد.
3- سطح میکروکانکتوم: مطالعه‌ی سطح میکروکانکتوم دشوارترین و پیچیده‌ترین مرحله است. در این سطح ابعاد مورد مطالعه در حد سلول‌های عصبی و سیناپس‌ها هستند و تنها به وسیله‌ی میکروسکوپ الکترونی، آن هم در مطالعات پس از مرگ، می‌توان این کار را انجام داد؛ چیزی که فعلاً انجام دادن آن روی مغز انسان دور از دسترس ما به نظر می‌رسد. اولین جانوری که بشر توانست به طور کامل کانکتوم آن را در سطح سلولی و به طور کامل رسم کند، کرم لوله‌ای نماتود سینورابدیتیس الگانس بود. کرمی که تنها 302 عدد سلول عصبی داشت و برای اولین بار در سال 1986 نقشه‌ی عصبی‌اش تکمیل شد(White et al). نقشه‌ی کانکتوم ذکر شده را در شکل زیر مشاهده می‌کنید.

مطالعه‌ی سلول‌های عصبی آن‌هم در اندازه‌های بسیار کوچک مانند سیناپس‌ها تنها با میکروسکوپ الکترونی امکان‌پذیر است. برای به دست آودرن یک شکل سه بعدی از قسمت کوچکی از مغز موش باید از هر میلی متر بافت مغز هزاران برش تهیه کرد و سپس هر یک از این نمونه‌ها به وسیله‌ی میکروسکوپ الکترونی مورد مطالعه قرار بگیرند. بعد از آن تمام اطلاعات به وسیله‌ی کامپیوتر تحلیل می‌شود تا در نهایت شکلی سه بعدی از تمام رشته‌های عصبی، آن‌هم مربوط به بخش کوچکی از مغز، به دست آید.
با استفاده از دستگاه برش‌دهنده بافت (میکروتوم) می‌توانیم به برش‌هایی در مقیاس اتمی (هزاران برابر باریکتر از موی ما) از مغز دست یابیم. هر یک از برش‌های ایجاد شده به وسیله‌ی میکروتوم باید به ترتیب به وسیله‌ی میکروسکوپ الکترونی مشاهده شوند و سپس به یک کامپیوتر پرقدرت منتقل شوند. کامپیوتر تمام این عکس‌های دوبعدی را روی هم قرار می‌دهد و شکلی سه بعدی تولید می‌کند، که در آن می‌توانیم کوچک‌ترین جزئیات مربوط به سلول‌های عصبی (مانند خارهای دندریتی و سیناپس‌ها و حتی وزیکول‌های سلول پیش‌سیناپسی) را مشاهده کنیم. همین فرآیند ماه‌ها و سال‌ها طول می‌کشد.
بنابراین می‌توان فهمید که دانش مغز همچنان در ابتدای راه خود قرار دارد و شاید پروژه‌ی کانکتوم مغز انسان دریچه‌ای برای ورود به جهان مغز باشد. چه بسا در چند سال آینده و با شروع فازهای بعدی این پروژه بتوانیم درک بهتری از بیماری‌های عصبی پیچیده‌ای همچون اتیسم، اسکیزوفرنی و افسردگی پیدا کنیم.

منبع: مجله مغز و شناخت، شماره 3، پاییز 1396

0
سیناپس
توسعه دهنده وب

بدون محدودیت به هزاران محتوای طبقه بندی شده، مقاله، کتاب‌، دوره‌ آموزشی، رویداد، اخبار، نوآوری و دستاوردهای حوزه علوم شناختی دسترسی پیدا کنید و به بزرگترین شبکه علوم شناختی کشور بپیوندید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

سبد خرید
0