علت منحصر به فرد بودن مغز انسان چیست؟

سانتیاگو رامون دانشمند عصب‌شناس اسپانیایی زمانی که برای نخستین بار توانست نورون‌ها را مشاهده‌کند، مطالعه‌ی مغز را متحول کرد. پژوهش‌های او که اکنون قدمتی ۱۰۰ ساله دارد، جزئیات پیچیده‌ای از سلول‌های عصبی را در بسیاری از حیوانات از جمله انسان نشان داد؛ دندریت‌های ریشه‌مانندی که به جسم سلولی متصلند و از آن‌ها اکسون‌های طویل و باریک ادامه می‌یابند. آزمایش‌های سانتیاگو همچنین نشان داد که دندریت‌ها در انسان‌ نسبت به جوندگان و دیگر حیوانات و حتی نخستی‌های غیرانسانی بسیار طویل‌تر است.

نورونی که در متون علمی نشان می‌دهند همانند درختی است که برگ‌های آن ریخته‌ است. شاخه‌های این درخت که دندریت‌ نامیده‌ می‌شوند، سیگنال‌ها را از دیگر سلول‌ها جمع‌آوری کرده و آن‌ها را از طریق جسم سلولی به تنه‌ی باریک و بلندی به نام اکسون انتقال می‌دهند. این انتقالات به شکل ذرات بارداری که از غشای نورون‌ها از طریق کانال‌های یونی می‌گذرند و موجب ایجاد ولتاژی در طول سلول می‌شوند، انجام می‌شود. البته این شاخه‌ها چیزی فراتر از یک مجرا برای عبور سیگنال‌ها هستند؛ آن‌ها دارای نقشی کلیدی در پردازش اطلاعاتی که منتقل می‌کنند، هستند.

مطالعه‌ی جدیدی که همین هفته در ژورنال Cell منتشر شد، نشان می‌دهد که در انسان‌ها این برآمدگی‌های آنتن‌مانند دارای خصوصیات الکتریکی خاصی نیز هستند که ممکن است در توضیح اینکه مغز چگونه اطلاعات رسیده را پردازش می‌کند، مفید باشد. دانشمندان در دهه‌های بعد از سانتیاگو، دندریت‌ها را به‌دقت مورد مطالعه قرار داده‌اند. مارک هارنت عصب‌شناس موسسه‌ی فناوری ماساچوست می‌گوید:

تنها چیزی که ما قبلا در مورد دندریت‌های انسانی می‌دانستیم، آناتومی آن‌ها بود. احتمال زیادی وجود داشت که دندریت‌های انسانی به علت طولشان عملکرد متفاوتی داشته‌باشند ولی تا جایی که من می‌دانم تاکنون پژوهش منتشرشده‌ای در مورد ویژگی‌های الکتریکی واقعی آن‌ها وجود نداشته‌است.

سلول‌های مغزی انسانی سیگنال‌های الکتریکی را به روشی انتقال می‌دهند که به طور قابل توجهی قدرت هر نورون را افزایش می‌دهد. پژوهشگران با مقایسه‌ی سرعت حرکت سیگنال‌ها در مسیر شاخه‌های نورون‌های انسانی با سلول‌های مشابه در موش، تفاوتی در شدت سیگنال‌ها مشاهده کردند که احتمالا نشان‌دهنده‌ی پردازش عمیق‌تر سیگنال‌ها در سلول‌های انسانی است. موش‌ها دارای مغز نسبتا کوچک‌تر و قشر خارجی نازک‌تری هستند اما لایه‌بندی این قشر نازک خارجی همانند مغز انسان است و این سوال را به‌وجود می‌آورد که نحوه‌ی عملکرد نورون‌های انسانی در ارسال سیگنال‌ها طی مسیرهای طولانی به چه صورتی است. در یک حالت ما می‌توانیم در مورد دندریت‌ها به‌عنوان یک ترانزیستور فکر کنیم که برخی سیگنال‌ها را تقویت و برخی را متوقف می‌کند. به‌نظر می‌رسد که آن‌ها حداقل در مورد انسان دارای نقش بیشتری در نحوه‌ی پردازش اطلاعات توسط سیستم عصبی باشند.

هارنت و همکارانش برآن شدند تا بررسی کنند که آیا طول دندریت‌ها روی سیگنال‌های الکتریکی انتقال‌یافته از طریق آن‌ها، تاثیری دارد یا خیر. با کمک عصب‌شناسی به نام سیدنی کش از بیمارستان عمومی ماساچوست، آن ها توانستند به نمونه‌های بافت مغزی که طی یک عمل جراحی از بیماران مبتلا به صرع جدا شده‌بود، دسترسی داشته‌باشند. بافت مغز از بخشی از لوب گیجگاهی قدامی که می‌تواند با تعداد کمی نورون هم به کار خود ادامه‌دهد، برداشته‌ شد، بنابراین این مسئله روی سلامتی بیماران تاثیری نداشت. پژوهشگران با این کار برای بررسی اینکه اعصاب انسانی چگونه برای حمل پیام‌های الکتریکی در مسیرهای طولانی مدیریت می‌شوند، به نوع مناسبی از بافت دسترسی پیدا کردند. پژوهشگران به محض دریافت نمونه‌ها، آن‌ها را به‌سرعت به آزمایشگاه برده، برش داده و مورد مطالعه قرار می‌دادند. از آن‌جا که بافت انسانی را فقط برای چند روز محدود می‌توان زنده نگه داشت، معمولا آزمایش‌ها برای ۴۸ ساعت به طور پیوسته ادامه پیدا‌ می‌کرد.

این پژوهشگران در مجموع نمونه‌هایی از بافت مغز ۹ بیمار و ۳۰ موش صحرایی را مورد بررسی قرار دادند. برای مطالعه‌ی خصوصیات الکتریکی نورون‌ها درون این نمونه‌ها، پژوهشگران از تکنیک ثبت patch-clamp استفاده کردند که شامل اتصال سوزن‌های شیشه‌ای ریز به سلول‌های عصبی و اندازه‌گیری فعالیت آن‌ها است. این کاوشگرها نشان می‌دهند که اگرچه دندریت‌های انسانی و دندریت‌های جوندگان دارای ویژگی‌های پایه‌ای مشابهی نظیر توانایی تولید پتانسیل الکتریکی هستند ولی تفاوت‌های کلیدی هم بین این دو گونه وجود دارد.

هنگامی که پژوهشگران جریان الکتریکی را به دندریت‌ها وارد کردند، فعالیت الکتریکی ایجاد‌شده در مسیر رسیدن به اجسام سلولی در انسان نسبت به موش بسیار کمتر بود. این امر نشان می‌دهد که فرایند انتقال سیگنال در دندریت‌های انسانی بسیار تفکیک‌شده‌تر است. در واقع پردازش محلی در دندریت‌ها می‌تواند به‌صورت مستقل از جسم سلولی اتفاق بیفتد. بر این اساس، دندریت‌های انسانی احتمالا نیازمند سیگنال‌های بسیار خاصی برای تاثیر قوی روی جسم سلولی هستند.

در نهایت این ویژگی‌های دندریت‌های انسانی می‌توانند موجب توانایی محاسباتی بیشتر نورون‌های انسانی نسبت به نورون‌های جوندگان شوند. از آن جایی که سیگنال‌ها در موش خیلی راحت‌تر از یک انتهای سلول به دیگر سلول‌ها انتقال پیدا می‌کنند، این امر نشان می‌دهد که پردازش سیگنال‌های الکتریکی در دندریت‌های این حیوانات کمتر تفکیک‌بندی شده‌است. مایکل هوسر عصب‌شناس دانشگاه کالج لندن که در این پژوهش مشارکتی نداشته‌است، می‌گوید:

این پژوهش جدید حمایت‌کننده‌ی دهه‌ها پژوهش روی حیوانات و عمدتا جوندگان است که نشان داده‌اند دندریت‌ها به این شیوه می‌توانند سیگنال‌ها را تفکیک کنند. دانشمندان بر اساس آن مشاهدات انتظار داشتند که فرایند تفکیک‌بندی در دندریت‌های نورون‌های انسانی بیش از دیگر حیوانات باشد چرا که طول آن‌ها در انسان‌ها بسیار بیشتر است.

هارنت می‌گوید:

انسان‌ها فقط به خاطر این با هوش‌تر نیستند که نورون‌های بیشتر و قشر مغز بزرگتری دارند. نورون‌های انسانی رفتار متفاوتی دارند.

پژوهشی با استفاده از مدل‌های محاسباتی نشان داد که داشتن بخش‌های محاسباتی مستقل بیشتر در دندریت‌ها می‌تواند قدرت محاسباتی یک سلول عصبی را بیشتر کند. با این حال محاسبات حقیقی دندریت‌ها و رفتارهای مرتبط با فعالیت در این شاخه‌های عصبی، هنوز مشخص نیستند اما دانشمندان در این زمینه عقایدی دارند:

یکی از احتمالات این است که فعالیت الکتریکی درون دندریت‌ها می‌تواند وقوع همزمان سیگنال‌های مجزا را تشخیص دهد؛ مثلا اطلاعات ورودی در مورد بو و شکل یک گل رز. علاوه بر شناسایی ورودی‌های مختلف، دندریت‌ها احتمالا در ترکیب این اطلاعات و ذخیره آن‌ها نیز نقش دارند. البته لازم است که این ایده‌ها مورد آزمایش قرار بگیرند. اما مطالعه‌ی هارنت یک گام اولیه در آغاز عصری جدید از کاوش در زمینه‌ی دندریت‌های انسانی است. هارنت می‌گوید:

این برای درک نحوه‌ی عملکرد مغز انسان بی‌اندازه حیاتی است. در نورون‌های انسانی تفکیک‌سازی الکتریکی بیشتری وجود دارد و این امر اجازه می‌دهد که این واحدها کمی مستقل‌تر عمل کنند و احتمالا منجر به افزایش توانایی محاسباتی هر نورون به‌صورت مجزا شوند.

خاویر دفلیپه دانشمند عصب‌شناسی که در این کار مشارکت نداشته‌است، می‌گوید:

این مطالعه اهمیت مطالعه‌ی بافت‌های انسانی را نشان می‌دهد. بسیاری از مطالعات عصب‌شناسی متکی به پژوهش‌های انجام‌شده روی جوندگان هستند اما مغز انسان با مغز دیگر حیوانات تفاوت‌هایی دارد. این پژوهش نشان می‌دهد که علاوه بر تفاوت در اندازه‌ی مغز، تفاوت‌هایی در عملکرد مغز انسان هم وجود دارد. مغز ما صرفا مغز بزرگ شده‌ی یک موش نیست.

مطالعات مشابهی روی نورون‌های موش انجام شده‌ است؛ اما گرفتن این نوع از سلول‌ها از مغز انسان زنده آسان نبوده‌ است. به‌عقیده‌ی دانشمندان این‌ها دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌های انجام‌شده تاکنون در ارتباط با ویژگی‌های فیزیولوژیکی نورون‌های انسانی هستند. این نوع از آزمایش‌ها از لحاظ فنی بسیار دشوار هستند؛ حتی در مورد موش، بنابراین از منظر فنی بسیار شگفت‌آور است که پژوهشگران این کار را در مورد انسان انجام داده‌اند.

پژوهشگران با مطالعات مقایسه‌ای روی حیوانات در نهایت قادر خواهند بود که بگویند آیا این حرکت در مسیر طولانی چنین تفاوتی در شدت سیگنال ایجاد می‌کند یا خیر. جالب است که هر دو نوع از سلول‌ها دارای همان تعداد کانال یونی در غشای خود هستند. مدل‌های توسعه‌یافته توسط پژوهشگران نشان می‌دهد که این امر می‌تواند علت تفاوت در اختلاف بین سیگنال‌ها باشد. البته این که آیا این ساختار می‌تواند توجیه‌گر تفاوت در نحوه‌ی پردازش اطلاعات بین گونه‌ها باشد، هنوز جای مطالعه دارد اما این فرضیه‌ای است که به گفته‌ی هارنت ارزش مطالعه دارد.