بهار نیوز - در ذهن حیوانات چه می‌گذرد؟

گروه علمی: مغز همه موجودات زنده پیوسته با اطلاعاتی که از محیط پیرامون خود با اندام‎های حسی مثل چشم، گوش، بینی و پوست به دست می‎آورد، بمباران می‎شود. تمام این اطلاعات ابتدا در بخش کورتکس مغز که مسؤولیت رفتارهای ارادی ما را برعهده دارد، پردازش می‎شود.سپس مراحل پردازش پیچیده‎تر می‌شود. اطلاعات از میان بخش‌های داخلی مغزی متعدد فیلتر می‎شود و در نهایت قشر حرکتی (Motor cortex) مغز فرمان حرکات متناسب با موقعیت را صادر می‎کند. به این ترتیب است که مثلا مگسی را از خود دور یا به سمت غذا حرکت می‎کنیم.به‌علاوه حالت‎های درونی می‎توانند به طور کامل و بدون ورود حسی و بدون رفتار خروجی، مثل رویاپردازی روزانه یا مرور وقایع طول روز در ذهن، در مغز ایجاد شوند. با پژوهش‎های حوزه علوم اعصاب روی شبکه‎های مغز و رفتار حیوانات، نگرش ما نسبت به ماهیت حالت‎های داخلی مغز پیوسته تغییر می‎کند.در گذشته حیوانات را نوعی ماشین‎های پاسخ‌دهنده به محرک می‎دانستند. اما اکنون متوجه شده‎ایم که اتفاقات جالبی در مغز حیوانات رخ می‎دهد که شیوه پردازش ورودی‎های حسی را تغییر می‎دهد و درنتیجه رفتار خروجی حیوانات تغییر می‎کند.دو سال قبل دانشمندان در جریان پژوهشی قصد داشتند نقشه‎ای از فعالیت مغز لارو گورخرماهی‎های در حال شکار طعمه به‌دست آورند و تغییرات ارتعاشات عصبی را مشاهده کنند.سایز لارو گورخرماهی به‌سختی به اندازه یک مژه می‎رسد. آن‌ها لاروهای گورخرماهی و غذای‌شان را در ظرف آبی زیر میکروسکوپ قرار دادند و در طول آزمایش‎ها به سلول‎های سایکیک (psychic cells) برخوردند؛ سلول‎هایی که ارتباط فیزیکی با هم ندارند، ولی روی هم تاثیر می‌گذارند. آن‌ها دریافتند تعدادی از نورون‎ها زمانی را که لارو برای شکار و بلعیدن طعمه حرکت خواهد کرد، پیش‎بینی می‎کنند. حتی بعضی از این نورون‎ها چند ثانیه قبل از این‌که چشم لارو روی طعمه ثابت شود، فعال می‎شدند. اما مشاهده عجیب‎تر دیگر، فعال شدن طولانی‌مدت و غیرمعمول سلول‎های سایکیک بود. بیشتر نورون‎ها به‌طور معمول چند ثانیه فعال می‎شوند، اما این سلول‎ها چند دقیقه فعال بودند.

پس از تحقیقات بیشتر متوجه شدند این سلول‎ها احتمالا حالت کلی مغز را تنظیم می‎کنند؛ الگویی از فعالیت طولانی‌مدت مغز که لاروها را تحریک می‎کند تا مشغول غذایی شوند که روبه‎روی‎شان است. پیش از این نیز دانشمندان با رویکردهای متنوع و در طول مطالعه روی گونه‎های مختلف جانوران متوجه شده بودند، حالات داخلی مغز، نحوه رفتار یک حیوان را تغییر می‎دهد. حتی وقتی هیچ چیزی در محیط بیرونی او تغییر نکرده باشد.گروهی از دانشمندان فرضیه‎هایی را درباره کدنویسی حالت‎های مغز توسط نورون‎ها، بیان می‎کنند. عصب‎شناسان به دنبال درک زبان کدنویسی مغز هستند. آن‌ها می‎دانند چگونه شبکه‎ای از سلول‎ها به مشاهدات حسی از طریق حواس پنجگانه پاسخ می‎دهد و چطور رفتارهایی مثل صحبت و حرکت کردن حاصل می‎شود. اما جزئیات این‌ها را نمی‎دانند. فعالیت‎های بسیار گسترده عصب‎ها مانع تشخیص الگویی می‎شود که نشان‌دهنده حالت‎ها و تمایلات حیوانات است و به کنترل رفتار آن‌ها کمک می‎کند.روش‎های جدید به دانشمندان امکان ردیابی پالس الکتریکی در مغز را با جزئیات بسیار خوبی می‎دهد تا رفتار طبیعی حیوان در بازه زمانی میلی‌ثانیه مشخص شود و از داده‎های به‌دست آمده یک الگو ترسیم شود. این الگوها می‎توانند علامت مشخصه بی‌شمار حالت‎های داخلی باشند که مغز امکان انتخاب بین آن‌ها را دارد. اکنون چالش این است که دریابیم این حالات چه معنی دارد.

چارچوب‎های مغز
برخلاف نظر گروهی از روان‎شناسان که معتقدند، چون حیوانات نمی‎توانند احساسات خود را با کلمات بیان کنند، پس این احساسات به‌هیچ جه قابل بررسی نیستند، گروهی از پژوهشگران نظریه‎ای برای حالت‎های داخلی مغز که نشان‌دهنده احساسات است، ارائه کرده و حدس می‎زنند مشخصه‎هایی درباره ارتباط بین مدارهای عصبی با حالت‎های درونی مغز وجود دارد.آن‌ها معتقدند یک حالت درونی مغز از محرک اصلی که آن را ایجاد کرده است، باید بیشتر دوام بیاورد. از این رو ویژگی اصلی یک مدار عصبی که تحت چنین شرایطی است، استمرار آن است. اگر شما در کوه یک مار ببینید، ممکن است از ترس ناگهان بپرید. ده دقیقه بعد حالت درونی مغز شما از ترس هنوز فعال است و اگر یک تکه چوب در مسیرتان ببینید، ممکن است دوباره بپرید.دیگر مشخصه‎های حالت درونی، تعمیم‎پذیری و مقیاس‎پذیری است. تعمیم‎پذیری یعنی محرک‎های مختلف باید بتوانند وضعیت‎های مشابهی را تحریک کنند و مقیاس‎پذیری به این معنی که محرک‎های مختلف می‎توانند حالت‎هایی با دوام متفاوت ایجاد کنند.
ساخت فناوری‎های عصبی برای این آزمایش‎ها از سال ۱۳۹۳ شمسی/ ۲۰۱۴ میلادی شروع شد و ثبت فعالیت تعداد زیادی نورون را همزمان و به صورت مجزا ممکن می‎کرد. یکی از این ابزارها کاوشگر‎های نوروپیکسل هستند؛ این‌ها به شکل سوزنی به طول ده میلی‎متر هستند که می‎توانند به صورت مستقیم فعالیت صدها نورون را در مناطق مختلف مغز ثبت کنند.همین‎طور با کمک تصویربرداری کلسیمی می‎توان فعالیت ده‎ها هزار تک‌نورون فعال در مغز را نشان داد. کلسیم، نشان‌دهنده مولکولی برای بسیاری از سلول‎ها و به‌ویژه نورون‎هاست. نورون‎ها در حالت معمول سطح کلسیم پایینی دارند و با ایجاد پالس الکتریکی، کلسیم داخل سلول جاری می‎شود.با نشان‎دار کردن کلسیم با مولکول‎های فلوئورسنت، نحوه ارتباط نورون‎ها با یکدیگر نمایش داده می‎شود. مانیتورهای جدید به صورت خودکار رفتار آزادانه حیوانات را برای چند ساعت ضبط و حرکات را در هر میلی‌ثانیه تحلیل می‎کند. سپس این رفتارها با داده‎های عصبی ثبت شده، تطبیق داده می‎شود تا فعالیت لحظه به لحظه مغز با هر حرکت مشخص شود.به این ترتیب عصب‎شناسان به کمک پیشرفت‎های یادگیری ماشین، هوش‌مصنوعی و ابزارهای ریاضی جدید، از گیگابایت‎ها و ترابایت‎های داده‎ای که در این آزمایش‎ها تولید می‎شوند، سر درمی‎آورند و الگوهای فعال‌سازی عصبی نمایانگر حالات دورانی مغز را استخراج می‎کنند.

تصویر کلی عملکرد مغز
دانشمندان علوم اعصاب به بررسی نورون‎های قسمت‎های مختلف مغز که فعالیت مداومی دارند، می‎پردازند. لاروگورخرماهی‎ها با ۸۰ هزار سلول مغزی پیچیدگی کمتری نسبت به مگس‎ها دارد. به علاوه جنین این ماهی شفاف است و فعالیت تمام نورون‎ها همزمان با هم با استفاده از تصویربرداری کلسیمی قابل مشاهده است. آن‌ها یک میکروسکوپ فلورسانسی را بالای ظرف آزمایشگاهی که لارو در آن شنا می‎کند، قرار دادند تا با هر حرکت لارو و فعال‌شدن هرنورون عکس‎برداری کند.به‌علاوه همزمان فیلمبرداری نیز کردند. هر فیلم ۹۰ دقیقه‎ای معادل ۵/۴ ترابایت داده است که می‎توان ثانیه به ثانیه هر حرکت را به فعالیتی عصبی مطابقت داد. دانشمندان متوجه سه گروه نورون در مغز لاروها شدند: آن‌هایی که همیشه در موضع شکار فعال است، آن‌هایی که هنگام شناسایی محیط فعال می‎ماند و گروه سوم که با تغییر موقعیت ماهی، برای لحظه‎ای فعال می‎شود. با کمال تعجب مشاهده شد گرسنگی روی حالت‎های ماهی که هر چند دقیقه یک‌بار تغییر می‎کند، تاثیری ندارد.عصب‌شناسانی که با جانوران تکامل‌یافته‌تری کار می‎کنند، نمی‎توانند تمام مغز را یکباره تحت‌نظر بگیرند. اما با شبکه‎های گسترده‎ای که در مغز توزیع شده‎، می‎توانند بروز حالت‎های داخلی مغز را پیدا کنند. در آزمایش موش‎ها، با استفاده از تصویربرداری کلسیمی فعالیت هزاران نورون و با وارد کردن یک تک‌الکترود نوروپیکسل در مغز فعالیت صدها نورون را ثبت کردند.
در پژوهشی که سال گذشته منتشر شد، عصب‎شناسان با کاوشگر‎های نوروپیکسل فعالیت ۲۴ هزار نورون را در ۳۴ بخش از قشر مغز موش‎های تشنه‎ای که از فواره، آب لیس می‎زدند، ثبت کردند و سیگنال‎های مربوط به حالت مغز از تشنگی و رفتار لیس زدن را به‌دست آوردند. آن‌ها متوجه شدند نورون‎های سیگنال‌دهنده این حالت در کل مغز فعال هستند و فقط به هیپوتالاموس که نورون‎های تشنگی به آن اختصاص دارند، محدود نیستند.در تحقیقی دیگر عصب‎شناسان متوجه شدند وقتی موش‌ها مشغول کاری می‎شوند، نورون‎ها در سراسر مغزشان فعال هستند. اما بخش بزرگی از این فعال شدن، ربطی به کاری ندارد که آن موش انجام می‎دهد. بعضی از آن‌ها مربوط به حرکات موش هستند. اما حدود دو سوم این فعال شدن‎ها ارتباطی با حرکات و اعمال موش ندارد و ممکن است مربوط به حالت‎های داخلی مغز باشد.هنوز برای فهمیدن احساسات حیوانات راه‌زیادی را باید طی کنیم و پژوهش‎های علمی در سراسر دنیا ما را به این هدف نزدیک می‎کند.