روایت مغز: تحریک الکتریکی اعصاب قورباغه

مقدمه

با شروع قرن ۱۸، درک انسان از آناتومی پیچیده مغز بیشتر شده بود. اما در عین حال، فیزیولوژی و درک نحوه عملکرد مغز، به خصوص نحوه فیزیولوژی اعصاب، هنوز تحت سلطه حدسیات بوده و مدارک تجربی بسیار کمی در اختیار بود. دانشمندان در اوایل این صده برای توضیح عملکرد اعصاب هنوز هم به مطالعات یونانیان باستان استناد می‌کردند. در واقع به نظر می‌رسید شواهد و آزمایش‌های تجربی هنوز نتوانسته بود جایی در بین دانشمندان برای خود پیدا کند؛ از طرفی معدود شواهد آزمایشگاهی به دست آمده نیز با این نظریات تضاد عجیبی داشت.

فرضیه غالب در مورد عملکرد اعصاب در ابتدای دهه ۱۷۰۰ حول مفهوم مبهم روح حیوانی (animal spirits)* بود. این نظریه از دوران یونانیان باستان سرچشمه وجود داشت و بیش از ۱۵۰۰ سال نیز یکی از نظریه‌های غالب در مورد فیزیولوژی اعصاب بود. گالن (Galen) از جمله کسانی بود که از این نظریه حمایت می‌کرد.

فرضیه روحی حیوانی بیان دارد که اعصاب توخالی بدن پر از روح هستند. این روح نوعی ماده نامرئی، غیر قابل لمس است که توانایی حسی و حرکتی مربوط به وجود آن است. به عقیده گالن، نوع ویژه از این ارواح به نام روح طبیعی (natural spirits)* پس از مصرف غذا در کبد تولید می‌شود. این روح طبیعی به قلب فرستاده شده و در آن جا تبدیل به روح حیاتی (vital spirits)* می‌شود. روح حیاتی از طریق شریان‌های کاروتید به سمت مغز حرکت کرده و در بطن‌ها یا مجموعه‌ای از شریان‌ها در قاعده مغز به نام شبکه شگفت انگیز (rete mirabile)* تجمع می‌یابد. در این قسمت، روح حیاتی به روح حیوانی و یعنی بالاترین شکل روح تبدیل می‌شود. سپس این روح در بطن‌های مغزی ذخیره می‌شود.

اگرچه فرضیه روح حیوانی آغاز قرن ۱۸ نظریه‌ای غالب بود، اما محققان موفق نشدند تا وجود این روح را به اثبات برسانند. در نتیجه به تدریج نظریات دیگری مطرح شدند؛ به عنوان مثال توماس ویلیس (Thomas Willis) معتقد بود که اعصاب در دورن خود حاوی مایعاتی هستند که این مایعات باعث تجریک و انقباض عضلات می‌شود. لازم به ذکر است که نظریه توماس ویلیس نیز هیچ پایه عملی نداشت. در قرن ۱۸ به تدریج با انجام یک سری آزمایشات تجربی تئوری جدیدی مطرح شد که عنوان داشت شاید ماده مرموز موجود در اعصاب الکتریسیته باشد.

الکرتیسیته یکی از اکتشافات مهم قرن شانزدهم و هفدهم محسوب می‌شود. تا اواخر قرن ۱۸ تنها شکل ایستا یا استاتیک چریان الکتریسیته شناسایی شده بود. در همین دوره اولین دستگاه‌های تولید کننده برق یعنی ماشین اصطکاک (friction machine) و ذخیره کننده جریان الکرتیسیته یعنی بطری لیدن (Leyden jars) اختراع شده بودند.

این فرضیه که ماده مرموز موجود در اعصاب می‌تواند الکترسیته باشد، زمانی به فکر دانشمندان رسید که توانایی تولید الکتریسسته طبیعی را در برخی حیوانات مشاهده کردند. به عنوان مثال شوک‌های الکتریکی تولید شده توسط پرتو ماهی‌های برقی (electric ray) ناشی از الکتریسیته‌ایست که توسط خود ماهی تولید می‌شود. بنابراین امکان وجود الکتریسیته در سیستم عصبی نیز وجود دارد. در دهه ۱۷۷۰ پزشک مشهور لوئیجی گالوانی با انجام یک سری آزمایشات در مورد وجود الکتریسیته در بافت‌های حیوانی توانست به شواهد محکمی در مورد این نظریه دست یابد.

لوئیجی گالوانی (Luigi Galvani)

لوئیجی گالوانی در سال ۱۷۳۷ در شهر بولونیا (Bologna)، بخشی از ایالت‌های پاپ، به دنیا آمد. لوئیجی گالوانی در ابتدا قصد داشت تا وارد کلیسا شود، بنابراین در ۱۵ سالگی به یک مؤسسه مذهبی بنام Oratorio dei Padri Filippini پیوست.* با تشویق والدینش در سال ۱۷۵۵، گالوانی وارد دانشکده هنر دانشگاه بولونیا شد. سپس گالوانی دوره چهار ساله پزشکی را گذرانده و به عنوان مدرس مشغول به کار شد.* متونی که در این دوره به عنوان منبع پزشکی از آن‌ها یاد می‌شد، نوشته‌های بقراط، گالن و ابن سینا بود.

در کنار پزشکی گالوانی در رشته جراحی نیز تحصیل کرد بنابراین اصول تئوری و عملی پزشکی دوران خود را آموخت. مهارت‌هایی که در این دوره آموخت، بعدها در آزمایشات عملی او بر روی حیوانات کمک زیادی کرد.  

در سال ۱۷۵۹، گالوانی توانست مدرک خود را در رشته‌های پزشکی و فلسفه دریافت کند. در سال ۱۷۶۱ او از پایان نامه خود دفاع کرده و توانست سال دیگر سمت آناتومیست و مدرس افتخاری جراحی را کسب کند. در همان سال او با لوسیا گالیزی (Lucia Galeazzi)، دختر یکی از اساتید خود یعنی گوسمانو گالیزی (Gusmano Galeazzi) ازدواج کرده و در انجام تحقیقات پدر زن خود به او کمک می‌کرد. با فوت در گذشت گالیزی در سال ۱۷۷۵، گالوانی به مسند استادی و تدریس او را بر عهده گرفت. گالوانی در سال ۱۷۷۶ به عنوان استاد آناتومی نظری آکادمی علوم منصوب شد.

گالوانی بعدها توجه خود را بر روی موضوع الکتریسیته و پزشکی معطوف کرد که از اواسط قرن ۱۸ با کشف تاثیرات الکتریسیته بر روی بدن انسان آغاز شده بود.

گالوانی در سال‌های آخر زندگی خود حئادث تلخی را تجربه کرد. بعد از مرگ همسرش در سال ۱۷۹۰ وضعیت سلامتی او رو به وخامت گذاشت. سپس  در سال ۱۷۹۶، ارتش ناپلئون به بولونیا حمله کرد. از آن جایی که گالوانی حاضر نبود تا سوگند جمهوری اعلام شده توسط ناپلئون را اجرا کند، قدرت‌های سیاسی جدید او را وادار کردند تا از پست‌های دانشگاهی خود کناره گیری کند. پس از این حوادث او به همراه برادرش  در خان‌ ای که در آن به دنیا آمده بود، زندگی کرد و در سال ۱۷۹۸ در همان جا درگذشت.

مطالعات لوئیجی گالوانی

لوئیجی گالوانی زمانی که در آکادمی علوم مشغول به کار بود، به موضوع الکتریسیته و قابلیت‌های مختلف آن علاقه مند شد. علاقه اصلی او با مطالعه مفهوم تحریک پذیری که توسط آلبرت فون هالر (Albrecht von Haller) در بررسی پاسخ عضلات به تحریک ارائه شده بود، شکل گرفت. هالر معتقد بود که تحریک پذیری یکی از ویژگی‌های عضلات است؛ حرکات عضلات به وسیله یک نیروی مکانیکی تولید می‌شود و تحریک پذیری که توسط نیروی مکانیکی ایجاد می‌شود، دلایل اصلی انقباض عضلانی است. گالوانی آزمایشات الکتریکی خود را در سال ۱۷۸۰ آغاز کرد. او در تلاش بود که تا ارتباط الکتریسیته با منبع و علت اصلی حرکت ماهیچه‌ها را بررسی کند.

در آن زمان نظریات گالن، دکارت و ارسطو در مورد حرکت و نیروی حرکتی جزو اصلی‌ترین نظریات پیرامون عملکرد مغز بود و گالوانی توانست در سال‌های بعد با ارائه نتایج آزمایشات خود، جایی برای نظریه خود باز کند. طبق  یادداشت‌های گالوانی، او آزمایشات خود درمورد تاثیر و نقش الکتریسیته در سیستم عصبی را با آزمایشاتی بر روی اندام‌های قورباغه آغاز کرد.

آزمایش او بدین صورت بود که او قورباغه تشریح شده‌ای را بر روی میز قرار داده و فرد دیگری، احتمالاً همسرش لوسیا، عصب رانی داخلی قورباغه را با یک شیء قلزی لمس می‌کنند. در سمت دیگر نیز عضله قورباغه به دستگاه تولید کننده الکتریسیته وصل بود. با ایجاد جرقه توسط دستگاه، انقباضاتی در عضلات ساق قورباغه رخ می‌داد. گالوانی در یادداشت‌های خود اشاره می‌کند که برای اطمینان خود نیز اسکالپ را بر روی عصب رانی قورباغه قرار داده و همسرش دستگاه تولید جرقه الکتریکی را کنترل می‌کرد و در این حالت نیز انقباض به همان شکل اولیه خود و بسیار واضح همراه با تولید جرقه رخ داده است.

با انجام یک سری مطالعات تا سال ۱۷۸۳، او نتیجه گرفت که با افزایش شدت محرک، شدت انقباض عضلات نیز بیشتر می‌شود اما این افزایش یک محدوده معین دارد و پس از آن به سطح آستانه می‌رسد. در این نقطه با افزایش قدرت محرک،  میزان انقباض عضله افزایش نمی‌یابد. در واقع او عنوان کرد که عضله دچار نوعی خستگی می‌شود. وی همچنین مشاهده کرد که اگر پس از تحریک‎‌های متعدد و خستگی عضلات، یک دوره کوتاه عضله به حالت استراحت باقی بماند، می‌توان تحرک را دوباره از سر گرفت.

پس از انجام این مطالعات، گالوانی نتیجه گرفت که حیوانات (و انسان) نوعی الکتریسیته ذاتی و درونی دارند که در ماهیچه‌ها تجمع می‌یابد و با القای نیروی خارجی* می‌توان باعث انقباض عضله شد. او عقیده داشت که از این نظر عضلات به بطری لیدن شباهت بسیاری دارند و این الکتریسیته درونی عضلات عامل اصلی انقباض عضله است.

سوالی که بعداً به ذهن گالوانی رسید این بود که آیا حرکت ماهیچه تنها با القای الکتریسیته مصنوعی قابل انجام است یا با استفاده از الکتریسیته جوی نیز می‌توان انقباضاتی را در عضله اعمال کرد؟ برای پاسخ به این سوال او در سال ۱۷۸۶ انجام آزمایشات دیگری را آغاز کرد. گالوانی آزمایش اولیه خود را چندین بار در روزهای طوفانی در خارج از خانه انجام داد؛ او عصب قورباغه را به سیم فلزی بلندی که به سمت آسمان نشانه رفته بود وصل کرده و مشاهده کرد که همراه با رعد و برق، عضله ران قورباغه نیز دچار انقباضات شدیدی می‌شود. (شکل ۱)

پس از این آزمایش برای بررسی این که آیا الکتریسیته موجود در شرایط جوی آرام نیز می‌تواند باعث انقباض عضله شود یا خیر، او این آزمایش را در روزهای آفتابی تکرار کرد. گالوانی قورباغه‌های آماده شده را بر روی بالکن آهنی خانه خود آویزان کرد و منتظر ماند. بعد از گذشت مدتی هیچ انقباضی مشاهده نشد. این بار گالوانی قلاب‌های برنزی که در نخاع حیوان قرار داده بود با میله‌های آهنی نرده تماس داد و در کمال تعجب، شاهد انقباض عضلات قورباغه بود.

جالب این جاست که این انقباض ایجاد شده هیچ ارتباطی با شرایط جوی نداشت و زمانی که در داخل خانه قطعات برنزی نخاع با قطعه آهنی دیگری تماس داشتند نیز ایجاد می‌شد. برای این کار تنها کافی بود که عضلات و اعصاب ماهیچه پا به وسیله دو قطعه رسانای فلزی به یکدیگر وصل شوند تا یک مدار مانند آن چه در بطری لیدن وجود دارد، ایجاد شود. گالوانی مشاهده کرد که در صورت استفاده از قطعات عایق و یا قرار دادن وسیله‌ای نارسانا بین دو قطعه رسانای مدار، هیچ انقباضات انجام نمی‌شود. (شکل ۲)

گالوانی از مکانیسم بطری لیدن اطلاع داشت. جریان الکتریسیته در بطری لیدن به دلیل بار الکتریکی منفی و مثبت بین صفحات فلزی داخلی و خارجی بطری وجود دارد. او این احتمال را مطرح کرد که هر فیبر عضلانی می‌تواند مانند یک بطری لیدن و عصب وارد شده به عضله مانند رسانای حامل* جریان الکتریسیتی عمل کند. عضلات مانند بطری لیدن در وضعیت ناپایداری قرار دارند. *دو سطح بیرونی و درونی فیبر عصبی مانند بطری لیدن باری مخالف هم داشته و فضای درون فیبر را به محیط مناسبی برای ایجاد جریان تبدیل می‌کند.* از طرفی الکتریسیته درونی حیوانات در مغز تولید شده و توسط اعصاب در عضلات توزیع می‌شود. گالوانی همچنین معتقد بود كه اعصاب توسط یک لایه محافظتی نارسانا از جنس چربی پوشیده شده‌اند و ایمپالس‌های الکتریکی از طریق سوراخ‌های کوچکی به فیبرهای عضلانی منتقل می‌شوند. امروزه می‌دانیم که این لایه محافظتی غشای میلین بوده و منفذهای کوچک نیز در واقع کانال‌های یونی هستند. به این صورت که تفاوت در گرادیان غلظت سدیم و پتاسیم باعث ایجاد اختلافات پتانسیل الکتریکی می‌شود. اکتشافات وی راه را برای گسترش نظریه‌های پتانسیل عمل در طی قرون بعد باز کرد.

دو قرن آزمایش تأیید کرده است که انقباضات عضلانی توسط تکانه‌های عصبی الکتریکی آغاز می‌شود زیرا پمپ‌های یونی موجود در غشای سلولی با ایجاد گردایانی از غلظت یون‌ها مانند سدیم و پتاسیم در داخل و خارج سلول عصبی باعث تولید انرژی پتانسیل الکتریکی در سلول می‌شوند. این پتانسیل با باز شدن کانال‌های یونی غشاء، به صورت تکانه‌های عصبی آزاد می‌شوند؛ بدون نیاز به هیچ سیم فلزی یا قطعه فلزی.

تئوری وجود الکتریسیته در بدن حیوانات موجب حیرت زیادی را در جامعه علمی، جامعه پزشکی و عموم مردم به وجود آورد.

تحقیقات دیگر و تقابل گالوانی با ولتا

الساندرو ولتا (Alessandro Volta)، دانشمند ایتالیایی با الهام از اکتشافات گالوانی، در سال ۱۸۰۰ اولین باتری الکتریکی (پیل ولتا) را اختراع کرد. ساختار این این باطری‌ها بدین شکل بود که قطعاتی از مقوا و پارچه‌های خیسانده شده در آب و نمک* بین دیسک‌های فلزی مختلف قرار می‌گیرند.

ولتا با نظریه الکتریسیته حیوانات گالوانی مخالف بود و اظهار داشت که الکتریسیته در آزمایشات او، از بافت عضله يا عصبی حاصل نمی‌شده بلکه توسط دو فلز مختلفی كه براي اتصال عصب و عضلات استفاده مي‌شوند، تولید می‌شود.

ولتا این عقیده را با انجام آزمایش‌های خود به دست آورد. او دو سر یک قوس فلزی که از دو فلز مختلف ایجاد شده بود را بدون تماس با عضله به دو نقطه عصب وصل کرد و توانست باز هم انقباض عضلات را مشاهده کند. بنابراین، به نظر می‌رسد که انقباض عضلات ران قورباغه به وجود جریانی از داخل به خارج از عضلات احتیاجی ندارد. این نظر واضحاً با برداشتی که گالوانی از فیبرهای عضلانی داشت، مغایر بود.

پس از آن، ولتا، با آگاهی در مورد پاسخگویی شدید عضلات قورباغه جریان الکتریسیتی خارجی این احتمال را مطرح کرد که این انقباضات، توسط جریان الکتریکی درونی حیوان تولید نمی‌شوند، بلکه به علت جریان‌های خارجی که سهواً تولید می‌شوند، ایجاد می‌شود. او قوس‌های فلزی مختلقی را آزمایش کرد و جریان تولید شده را به تماس بین فلزات متفاوت نسبت داد و اظهار داشت که حرکت عضلات قورباغه در پاسخ به همین جریان تولید شده است. (شکل ۳)

برای تأیید فرضیه خود، او تاثیر قوس‌های ساخته شده از دو فلز را بر روی قدرت چشایی خود بررسی کرد و توانست به طرز صحیحی طعم اسید را که با تحریک اعصاب گوارشی مشخص می‌شود، تشخیص دهد. ولتا معتقد بود که فلزات مختلف می‌توانند نوعی نیروی الکتریسیته تولید کرده و نوعی عدم تعادل مصنوعی را تولید کرده و حفظ کنند. پس از این اظهارات او تئوری تماسی را ارائه داد فلزات مختلف را بر اساس تمایلشان برای تولید جریان الکتریسیته طبقه بندی کرد.

در برابر گفته‌های ولتا، گالوانی در سال ۱۷۹۴ اظهار داشت كه انقباضات عضلانی با استفاده از قوس‌های تک فلزه، با اتصال عصب و ماهیچه به وسیله قطعه‌ای از بافت‌های بدن و حتی به سادگی با تماس مستقیم نوک عصب ران با عضله ایجاد شوند. (شکل A)

ولتا از قبول نتایج این آزمایش امتناع كرده و اظهار کرد که احتمال دارد نوعی تحریک مکانیکی (یا شیمیایی) باعث تحریک عصب شده باشد. درواقع علاوه بر فلزات ناهمگون، مرطوب بودن بدن بعضی از گونه‌ها نیز می‌توانند با تماس نیروی الکتریکی القا کنند.

در اعتراض به اظهارات ولتا، گالوانی در سال ۱۷۹۷ توانست بدون هیچ گونه تماس ناهمگنی انقباضاتی را در ماهیچه ایجاد کند. این آزمایش به عنوان یکی از بزرگ‌ترین آزمایش‌های انجام شده در حوزه الکتروفیزیولوژی شناخته می‌شود. (شکل B)

گالوانی با اتصال سطح مقطعی از عصب سیاتیک راست با سطح سالم عصب سیاتیک چپ، مشاهده کرد که هر دو پای قورباغه منقبض می‌شود. تفسیر گالوانی از این آزمایش‌ها در مورد مسئله اصلی مطرح شده (وجود جریان الکتریکی در حیوانات) صحیح بود، اما توضیحی که در مورد مکانیسم تحریک ارائه داد، اشتباه بود. در واقع تماس این دو سطح باعث انتقال الکتریکی غیرفعال نمی‌شود، بلکه به دلیل اختلاف پتانسیل الکتریکی بین سطح آسیب دیده و سطح سالم، باعث تحریک و انتقال جریان می‌شود*. لزوم تماس بین سطح مقطع آسیب دیده و سالم برای مشاهده وجود جریان الکتریکی در حیوانات، بعدها با مطالعات کارلو ماتوچی (Carlo Matteucci) مطرح شد. علاوه بر این، پس از ارائه فرضیه غشایی توسط برنشتاین (Bernstein)، مشخص شد که این اختلاف پتانسیل، به دلیل مقاومت پایین مسیر داخل سلولی است که توسط ضایعه ایجاد شده است.*

با این حال، حتی این آزمایش نیز نتوانست از مجامع علمی، تاییدیه نظریه وجود الکتریسیته در حیوانات  را کسب کند.

همزمان با تلاش‌های گالوانی بریا تایید نظریه خود، ولتا نیز شواهدی را در حمایت از تئوری قدرت فلزات در ایجاد جریان الکتریکی، ارائه داد. او در سال ۱۷۹۶ توانست با ابزارهای موجود، جریان الکتریکی اندک حاصل از تماس نقره و روی را اندازه گیری کند و پس از آن، توانست با قرار دادن دیسک‌های کاغذی آغشته به آب و نمک، بین دو قطعه فلزی، نیروی الکتریکی قابل توجهی را تولید کند. این اختراع همان باتری‌های الکتریکی بودند.

گالوانی و ولتا هر دو نقش مهمی در توسعه علوم داشتند. مطالعات گالوانی از جمله کارهای بسیار مهم در زمینه الکتروفیزیولوژی بوده و آزمایش‌های ولتا در نهایت منجر به توسعه اولین انواع باتری‌ها به نام پیل‌های ولتایی  شد.