آیا مغز انسان از ابتدا برنامهریزی شده است؟
نظریههای قدیمی و سرنخهای مدرن!
سؤال قدیمی درباره اینکه آیا برنامهریزی مغز انسان بیشتر محصول طبیعت است یا پرورش محیطی، از قرن هفدهم و از زمان جان لاک که ذهن را «لوح سفید» میدانست، ذهن فیلسوفان و دانشمندان را به خود مشغول کرده است. علوم عصبی مدرن تاکنون فرض میکردند که ساختارهای پایهای مغز ژنتیکی هستند، اما الگوهای دقیق شلیک نورونها که اطلاعات را رمزگذاری میکنند، باید از طریق تجربه شکل بگیرند.
این مطالعه، شواهد مستقیم علیه این دیدگاه تجربی ارائه میکند. ارگانوئیدهای مغزی (که فاقد چشم، گوش و هرگونه اتصال به دنیای بیرون هستند) الگوهای فعالسازی متوالی ایجاد کردند، که زمانبندی آنها مشابه مغز حیوانات بزرگسال در وظایف جهتیابی و مغز انسان در بازیابی حافظه بود. تیم پژوهشی چهار مدل آزمایشگاهی متفاوت شامل ارگانوئیدهای انسانی مشتق از سلولهای بنیادی، ارگانوئیدهای موش، برشهای مغز نوزاد موش و کشتهای سلولی دوبعدی سنتی را مورد بررسی قرار داد. ارگانوئیدهای سهبعدی و برشهای مغز نوزاد هر دو الگوهای شلیک متوالی پایدار را نشان دادند، در حالی که کشتهای دوبعدی فاقد چنین ویژگی بودند. این یافتهها نشان میدهد که سازماندهی فضایی بافت نقش کلیدی در ایجاد این الگوهای ذاتی دارد.
بیشتر بخوانید: ساخت اولین بافتهای مغز مصنوعی در آزمایشگاه
حتما بخوانید: فقر زمانی مانع اصلی برای سلامت مغز
نورونها مسئول اصلی برنامهریزی مغز
حدود ۲۸ درصد از نورونهای فعال، گروهی را تشکیل دادند که پژوهشگران آن را «ستون فقرات» نامیدند؛ گروه اصلی که در هر انفجار فعالیت با دقت زمانی بالا و منظم شلیک میکرد. این نورونها در توالی مشخص قرار داشتند که چند صد میلیثانیه طول میکشید؛ نورونهای اولیه پیکهای تیز و نورونهای دیرتر شلیککننده، پنجرههای پاسخ وسیعتری داشتند. نورونهای منفرد موقعیت خود را در این توالی طی صدها انفجار ثبتشده در طول ساعتها و حتی ماهها حفظ کردند. هنگامی که پژوهشگران زمانبندی شلیکها را به هم ریختند اما نرخ کلی شلیک را حفظ کردند، توالیها از بین رفتند؛ این نشان میدهد که این الگوها به هماهنگی دقیق زمانی وابسته هستند و فقط به میزان شلیک نورونها وابسته نیستند.
نورونهای ستون فقرات همبستگی قابل توجهی بین انفجارها نشان دادند، که از سایر نورونها بیشتر بود. تحلیلها، تاخیر فازی حدود ۱۰ میلیثانیه بین جفتهای نورونهای پشت سر هم ستون فقرات را نشان داد، که با زمانبندی مشاهدهشده در قشر مغز گونههای مختلف تطابق دارد. این نورونها در انتهای توزیع نامتوازن نرخ شلیک قرار داشتند؛ یعنی بخش کوچکی از نورونها بسیار بیشتر از دیگر نورونها شلیک میکنند. این الگو در بخشهای مختلف مغز و گونههای متعدد دیده شده است و یک اصل پایدار و محافظتشده در سازماندهی عصبی محسوب میشود.
ساختار نورون کاربرد آن را مشخص میکند
تفاوت آشکار میان مدلهای بافت سهبعدی و کشتهای دوبعدی یک نکته کلیدی را آشکار میکند. کشتهای سلولی سنتی هماهنگی کلی داشتند، اما قادر به حفظ الگوهای متوالی شلیک نبودند که در ارگانوئیدها و برشهای قشر مغز مشاهده شد. این تفاوت بهطور مستقیم با معماری فضایی بافت مرتبط است. ارگانوئیدهای مغزی و برشهای قشری، ساختار لایهای و مدارهای محلی مشابه مغز در حال رشد را حفظ کردند. هنگامی که نورونها نتوانند همانند توسعه طبیعی در فضا سازمانیافته شوند، توالیهای ذاتی شکل نمیگیرند.
تحلیلهای آماری نشان داد که نورونهای ستون فقرات ۷۳ درصد از تغییرپذیری دو مولفه اصلی را پوشش میدهند، در حالی که نورونهای نامنظم تنها ۲۵ درصد را شامل میشوند. مدلسازی کامپیوتری نشان داد که انفجارهای فعالیت شامل حالتهای مجزا هستند که ترکیبهای مختلف فعالیت عصبی را نمایندگی میکنند و الگوریتمهای یادگیری ماشینی نورونهای ستون فقرات را با دقت ۸۴ درصد بر اساس الگوهای حالت از نورونهای نامنظم تمییز دادند، رقمی که به مراتب بالاتر از ۶۳ درصد دقت حاصل از نرخ شلیک تنها است.
بررسی مغز موشها فرضیه را تایید میکند
پژوهشگران برای تایید اینکه الگوها محصول آزمایشگاه نیستند، فعالیت برشهای مغزی موشهای ۱۲ تا ۱۴ روزه را ثبت کردند؛ زمانی که نورونها شکل گرفتهاند اما چشمها هنوز باز نشدهاند و موش تجربهای از محیط ندارد. این برشها الگوهای متوالی مشابه آنچه در ارگانوئیدها مشاهده شد، تولید کردند. قشر در حال رشد موش همان نوع رابطه میان زمان شلیک و تغییرپذیری را نشان داد؛ نورونهای اولیه با دقت زمانی بالا و نورونهای دیرتر شلیککننده با پنجرههای پاسخ وسیعتر فعال شدند. نورونهای ستون فقرات، در مقایسه با نورونهای نامنظم، هستههای همبسته قدرتمندی شکل دادند، که درست مانند بافتهای آزمایشگاهی بودند.
این مشاهدات با یافتههای پیشین همخوانی دارد، که نشان میدهد توالیهای هیپوکامپ موش (ناحیهای حیاتی در حافظه و جهتیابی فضایی) بهطور خودجوش در هفته سوم پس از تولد و پیش از آغاز کاوش محیط شکل میگیرند. این توالیها در همان دوره با تجربه اضافی بهبود نمییابند، که حکایت از ذاتی بودن ویژگیهای مدار عصبی دارد و یادگیری تجربی نیستند. همچنین تیم تحقیق این الگوها را در برشهای قشر سوماتوسنسوری (منطقه پردازش حس لمس) نیز مشاهده کرد. در این سن، بیشتر سیستمهای حسی هنوز توسعه نیافتهاند و تنها حس بویایی استثنا است. ظهور این توالیها در ناحیه حسی پیش از هر تجربه حسی معنیدار، شواهد محکمی از سازماندهی برنامهریزی مغز ارائه میکند.
برای مطالعه بیشتر: رابط مغز-کامپیوتر Connexus برای آزمایش انسانی تایید شد
مرتبط با مقاله: ساخت یک نورون مصنوعی جدید که فعالیت مغز را تقلید می کند
شیمی مغز چه تاثیری روی برنامهریزی آن دارد؟
آزمایشهای دستکاری شیمی مغز نشان دادند که چگونه برنامهریزی ذاتی مغز با رشد شکل میگیرد و اصلاح میشود. هنگامی که پژوهشگران سیگنالهای مهاری نورونها در ارگانوئیدهای موش را با داروی گابازین مسدود کردند، فرکانس انفجارها افزایش یافت و نورونهای بیشتری به ستون فقرات عصبی اضافه شدند. در مقابل، مسدود کردن انتقال تحریکی که مانع فعالسازی نورونها توسط یکدیگر میشود، بهطور کامل انفجارها را حذف کرد.
تعادل میان تحریک و مهار تعیین میکند که کدام نورونها جزو ستون فقرات سخت و کدامها جزو جمعیت نامنظم انعطافپذیر باشند. با رشد ارگانوئیدها، نسبت نورونهای ستون فقرات کاهش مییابد؛ این روند بازتاب ورود نورونهای مهاری به شبکههای بالغ مغز است، که در مغز زنده مشاهده میشود. ثبتهای طولی نشان داد که توالیهای ستون فقرات طی ماهها در ارگانوئیدهای انسانی و موش همبستگی بیشتری پیدا میکنند. این بلوغ کاملاً در کشت رخ داد و الگوها حتی در غیاب کامل ورودی حسی به مرور زمان استاندارد و تثبیت شدند.
این یافتهها نشان میدهد که اگرچه تجربه میتواند مدارهای عصبی را شکل دهد و پالایش کند، اما مغز از ابتدا با برنامهریزی زمانی آماده است، که سازماندهی اطلاعات را محدود میکند. نورونهای مهاری به نظر میرسد که این چارچوب را میتراشد و تعادل میان شلیکهای سخت و انعطافپذیر را تنظیم میکنند.
این تحقیق نشان میدهد که ظرفیت محاسبات متوالی ممکن است ویژگی ذاتی مدارهای عصبی باشد که حتی بدون تجربه حسی در طول رشد ظهور میکند. تجربه به احتمال زیاد این سیستمها را تنظیم و بهینه میکند، نه اینکه آنها را از صفر خلق کند و به این ترتیب دیدگاهی میانه میان نظریه «لوح سفید» و جبر ژنتیکی سخت ارائه میدهد.