تاریخ انتشار : ۱۳۹۹/۰۶/۰۲ ساعت ۱۰:۱۵
کد مطلب : ۲۲۸۷۲۹
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.
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.
