انتشار این مقاله

روایت مغز: تحقیق روی سیستم بینایی

چشم انسان تصاویر را روی شبکیه خود ضبط می‌کند. اما آن چه که ما از شکل، جزئیات، رنگ، عمق، کنتراست و غیره می‌بینیم، نتیجۀ چگونه دریافت و بازسازی سیگنال‌های شبکیه توسط مغز است.

چشم انسان تصاویر را روی شبکیه خود ضبط می‌کند. اما آن چه که ما از شکل، جزئیات، رنگ، عمق، کنتراست و غیره می‌بینیم، نتیجۀ چگونه دریافت و بازسازی سیگنال‌های شبکیه توسط مغز است. در دهه ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ مطالعات پیشگام (یا ابداعی) تورشتن ویسل (Torsten Wiesel) و دیوید هیوبل (David Hubel)   الگوی سازمان دهی سلول‌های مغزی، که مسئول پردازش بینایی هستند، و نحوه ارتباط این سازمان دهی با عملکرد را آشکار ساخت.

دیوید هیوبل

دیوید هانتر هیوبل نوروفیزیولوژیست و برنده جایزه نوبل به خاطر کشفیاتش در مورد ساختار و عملکرد قشر بینایی است. در سال ۱۹۲۶ در شهر ویندزور کانادا متولد شد و در سال ۲۰۱۳ در شهر لینکل ایالات متحده وفات یافت و هنگام دریافن جایزه در دانشکده پزشکی هاوارد فعالیت می‌کرد.

او بخشی از خدمت سربازی خود را در بخش نوروفیزیولوژی موسسه تحقیقات ارتش والتر رید (Walter Reed Army Institute of Research) گذرانده است. در آن‌ جا او کار در مورد قشر اولیه بینایی گربه‌ها، در حالت خواب و بیداری را آغاز و میکرو الکترودهای تنگستن را اختراع کرد. پس از اتمام خدمت نظامی، او به موسسه (Wilmer) ویلمر پیوست و تحت نظر استفان کافلر (Stephen Kuffler) به فعالیت پرداخت. در آن جا او با همکاری تورشتن ویسل به بررسی ارتباط بین شبکیه و قشر بینایی پرداخت. این همکاری بیش از دو دهه ادامه داشت. در همین زمان، آن‌ها به دانشگاه (Harvard University) منتقل شدند، جایی که تحقیقات خود را ادامه داده و جایزه نوبل را به دست آوردند. آن‌ها در ادامه به پژوهش در مورد بچه گربه‌ها پرداختند تا به طور هم طراز کاتاراکت و نقص‌های بینایی در کودکان را کشف کنند.

تورشتن ویسل

تورشتن نیل ویسل نوروفیزیولوژیست سوئدی و یکی از افراد دریافت کننده جایزه نوبل فیزیولوژی و پزشکی در سال ۱۹۸۱ بود. در سال ۱۹۲۴ در اوپسالا سوئد متولد شد و هنگام دریافت جایزه نوبل در دانشکده پزشکی هاروارد مشغول به کار بود.

او جوان‌ترین پسر یک روان‌پزشک و رئیس بیمارستان روانی بود و به همین دلیل گرایش طبیعی به روان‌ پزشکی داشت. با این حال، بعدها، به عملکرد سیستم عصبی علاقه مند شد. بنابراین، هنگامی که او از نوروفیزیولوژیست معروف دکتر استفن کوفلر دعوت نامه دریافت کرد، به آمریكا نقل مکان كرده و به عنوان فلو فوق دکترا به آزمایشگاه وی در مؤسسه ویلمر، دانشکده پزشکی جان هاپكینز پیوست. در ویلمر بود که ویسل با متخصص نوروفیزیولوژی دیگر یعنی دیوید هیوبل ملاقات کرد. خیلی زود آن‌ها شروع به کاوش سلول‌ها در مسیرهای بینایی مرکزی کردند. در طول زمان، دو دانشمند، همکاری خوبی با هم شکل  دادند که دو دهه به طول انجامید و کارشان به درک ما از سیستم بینایی کمک زیادی کرد. آن‌ها همچنین مشترکا کتاب‌های بسیاری نوشته و جوایز زیادی دریافت کردند. بعدها، ویسل به عنوان استاد به دانشگاه راکفلر (Rockefeller University) پیوست و در مدت کوتاهی رئیس دانشگاه شد. پس از آن، او همچنین در بسیاری از جوامع برجسته خدمت کرده است.

توضیح مختصری از کشفیات

در طول سال ۱۹۶۴، دیوید هیوبل و تورشتن ویسل، اثرات کوتاه مدت و بلند مدت محروم کردن یک چشم‌ بچه گربه‌ها از نور و بینایی را بررسی کردند. ویسل و هیوبل در آزمایش‌های خودشان، از بچه گربه‌ها به عنوان مدلی برای کودکان انسان استفاده می‌کردند. هیوبل و ویسل به بررسی این مورد پرداختند که آیا اختلال بینایی در یک چشم می‌تواند اصلاح شود یا خیر و این که آیا چنین اختلالاتی در ادامه در زندگی آن فرد یا بچه گربه تاثیر می‌گذارند یا خیر. آزمایش‌های آن‌ها با بچه گربه‌ها نشان می‌دهد که یک دوره بحرانی و حساس وجود دارد که طی آن سیستم بینایی در پستانداران تکامل می‌یابد. و همچنین نشان داده شد که هرگونه اختلال در سیستم بینایی در طول این دوره حساس بر روی بینایی مادام العمر پستانداران تاثیر می‌گذارد.

در سال ۱۹۵۹، دیوید هوبل و تورستن ویزل در دانشکده پزشکی جان هاپکینز در بالتیمور (Baltimore)، مریلند (Maryland)، جایی که در آزمایشگاه علوم اعصاب استفان کافلر کار می‌کردند، ملاقات کردند. در همان سال کافلر و کارکنان آزمایشگاه او به دانشکدۀ پزشکی هاروارد در بوستون، ماساچوست رفتند. هنگام کار آزمایشگاه جدید کافلر در دانشگاه هاروارد، هیوبل و ویسل آزمایش‌های متعددی را روی گربه‌ها و بچه گربه‌ها به عنوان مدل‌های انسانی انجام دادند و در دهه ۱۹۷۰ این آزمایش‌ها را بر روی پریمات‌ها تکرار کردند. همکاری آن‌ها بیش از بیست سال طول کشید، در طی آن زمان هیوبل و ویسل جزئیات تکامل سیستم بینایی را توضیح دادند.

در طول دهه ۱۹۶۰، با وجود مطالعات دقیق کافلر و کارکنان آزمایشگاهش، دانشمندان هنوز به درک کاملی از تکامل سیستم بینایی نرسیده بوند. محققان تا به حال ارتباط بین شبکیه، لایه‌ای از سلول‌های حساس به نور در پشت چشم، و قشر بینایی کورتکس مغز را کشف نکرده بوند. همانند سال ۲۰۱۷ دانشمندان می‌دانستند که سیستم بینایی از چشم‌ها، عصب بینایی، اجسام زانویی جانبی و قشر بینایی مغز تشکیل شده است. شبکیه چشم متشکل از ستون‌ها و مخروط‌هایی است که محرک‌های بصری از جمله رنگ‌ها و اشکال اشیاء را دریافت می‌کنند. این اطلاعات از طریق عصب بینایی به مغز ارسال می‌شود. در مغز، اعصاب بینایی هر چشم در کیاسمای بینایی در قاعده مغز با هم تقاطع می‌یابند. عصب بینایی سمت راست به مسیر بینایی سمت چپ و عصب بینایی سمت چپ به مسیر بینایی سمت راست تبدیل می‌شود. در ادامه، راه بینایی (optic tract) اطلاعات بینایی را در مغز به بخش اجسام زانویی جانبی در تالاموس می‌رساند. بخش کوچکی از مغز که به عنوان یک راه برای انتقال اطلاعات حسی از چشم‌ها به مغز عمل می‌کند. جسم زانویی جانبی حاوی سلول‌های زانویی است که در واقع نقطه میانی بین چشم و قشر بینایی هستند. پس از آن، اطلاعات به قشر بینایی منتقل می‌شوند. قشر بینایی بزرگترین بخش مغز است که مسئول تفسیر اطلاعات بصری است و در قسمت پشتی مغز به نام لوب پس سری یا occipital واقع می‎‌شود. قشر بینایی حاوی سلول‌های قشری است که مسئول پردازش و تفسیر اطلاعات بصری هستند.

در سال ۱۹۶۴، جراحان افراد مبتلا به آب مروارید مادرزادی را به جای ابتدای تولد در برهه دیگری از زندگی فرد جراحی کنند. آب مروارید اختلالیست که در آن لنز چشم از هنگام تولد کدر است. این افراد نیاز به درمان فشرده پس از جراحی داشتند، زیرا هنوز در چشم مذکور آسیب بینایی وجود داشت.  پرسش هیوبل و ویسل این بود که چرا بینایی افراد هنوز آسیب دیده باقی می‌ماند. آن‌ها این فرضیه را مطرح کردند که دوره‌ای وجود دارد که سلول‌‌های عصبی بینایی در آن زمان تکامل می‌یابند و اگر در آن دوره شبکیه هیچ اطلاعات بینایی دریافت نکند، سلول‌های قشر بینایی پاسخ خود را به نفع چشمی که فعالیت دارد توزیع می‌‌کنند.

تا سال ۱۹۶۴، هیوبل و ویسل برای آزمودن فرضیه خود انجام سلسله آزمایشاتی را آغاز کردند. محققان دیگر رفتار و بینایی حیوانات را پس از رشد در محیط تاریک بررسی می‌کردند، اما هیوبل و ویسل اولین کسانی بودند که پس از بخیه زدن به یک چشم، که بیشترین کاهش در میزان اطلاعات بینایی ورودی به شبکیه را موجب می‌شد، به مطالعه رفتار حیوانات پرداختند.

آزمایشات هیوبل و ویسل

برای انجام این آزمایش، هیوبل و ویسل از بچه گربه‌های تازه متولد شده که یکی از چشم‌هایشان را در سه ماه اول زندگی بسته بودند استفاده کردند. چشم آسیب دیده هیچ اطلاعات بصری دریافت نمی‌کرد و ۱۰۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰ بار کمتر از چشم طبیعی نور طبیعی دریافت می‌کرد. به این معنی که هیچ اطلاعات بینایی وجود ندارد تا شبکیه چشم آسیب دیده آن را ثبت کند. و بنابراین قشر بینایی نمی‌توانست هیچ ورودی از آن چشم به دست آورد. هیوبل و ویسل از چهار بچه گربه برای آزمایش استفاده کردند.

پس از گذشت سه ماه، هیوبل و ویسل چشم‌های بسته را باز کردند و به بررسی تغییرات صورت گرفته پرداختند. آن‌ها تفاوت قابل توجهی در پاسخ سلول‌های قشری مشاهده کردند. محققان، با قرار دادن یک الکترود تنگستن در قشر بینایی مغز بچه گربه‌ای که به او آرام بخش (تزریق کرده بودند)، فعالیت سیستم بینایی را در هر بچه گربه ثبت کردند. این فرآیند این اجازه را داد تا به صورت جداگانه فعالیت هر سلول قشری بررسی شود. میله تنگستن وجود یا عدم وجود فعالیت الکتریکی در قشر مغز را نشان می‌داد، که حاکی این نکته است که آیا قشر بینایی اطلاعات را از چشم قبلی دوخته شده دریافت کرده است یا خیر. با ضبط فعالیت الکتریکی در قشر بینایی بچه گربه‌ها، هیوبل و ویسل مشاهده کردند که چگونه سلول‌های قشر بینایی به محرک‌های مختلف از هر دو چشم واکنش نشان می‌دهند و اینکه تفاوتی در سیگنال‌های چشم آسیب دیده قبلی و چشم طبیعی وجود دارد یا خیر.

در ادامه، ویسل و هیوبل برای تحریک سلول‌های قشری به بچه گربه الگوهای مختلف نوری را نشان دادند. به طور معمول، در پستانداران با دید نرمال حدود هشتاد و پنج درصد سلول‌های قشری، به طور یکسان به هر دو چشم پاسخ می‌دهند و فقط پانزده درصد از این سلول‌ها اختصاصا فقط به یک چشم پاسخ می‌دهند. با این حال، هنگامی که هیوبل و ویسل این آزمایش را روی بچه گربه‌هایی با چشم‌های آسیب دیده انجام دادند، متوجه شدند که یک سلول از هشتاد و چهار سلول به چشم دوخته شده و هشتاد و سه سلول دیگر فقط به چشم نرمال پاسخ می‌دادند. این بدان معناست که سلول‌های قشری به نفع چشم عادی توزیع می‌یابند، زیرا این تنها منبع اطلاعات بصری در طول تکامل زودهنگام بچه گربه است. محققان همچنین خاطر نشان کردند که همه بچه گربه‌هایی که یکی از چشم‌هایشان دوخته شده، سلول‌های قشری داشتند که به هیچ محرکی پاسخ نمی‌دادند. محققان نتیجه گرفتند که این سلول‌ها به احتمال زیاد تنها با چشم آسیب دیده قبلی در ارتباط بودند. از آن جایی که این سلول‌ها به هیچ وجه به محرک‌های بصری واکنش نشان نمی‌دهند، بازسازی نشده و نمی‌توانستند دوباره مورد استفاده قرار بگیرند. در واقع این نتیجه را می‌توان استنباط کرد که اگر برخی از اختلالات بینایی در طول دوره زمانی تکامل سیستم بینایی رخ دهد، برخی از نورون‌های قشری عملکرد خود را کاملا از دست می‌دهند.  

هیوبل و ویسل یک آزمایش بینایی ساده دیگر نیز بر روی بچه گربه‌ها انجام دادند. آن‌ها یک مانع کدر بر روی یک چشم از بچه گربه‌ها گذاشتند و حرکات بچه گربه را دنبال کردند. سپس آن‌ها همان روش را برای چشم دیگر تکرار کردند. محققان اظهار داشتند زمانی که بچه گربه‌ها مجاز بودند تا از چشم آسیب دیده قبلی استفاده کنند، نامتعادل بودند و هیچ نشانه‌ای از توانایی بینایی را نشان نمی‌دادند. با این حال، چشم طبیعی به درستی عمل کرده و محققان هیچ اختلالی را گزارش نکردند. این یافته‌ها به این معنی است که چشم‌های از قبل دوخته شده عملکرد بینایی خود را از دست داده‌اند و تا زمان باز شدن دوباره، توانایی بهبود ندارند. این نتیجه گیری شواهد بیشتری را در این زمینه فراهم می‌کند که سابقه قبلی محرومیت از بینایی بر روی بینایی دراز مدت فرد تاثیر می‌گذارد. هیوبل و ویسل نتیجه گرفتند که اختلالی که در راه بینایی از چشم تا مغز اتفاق می‌افتد باعث توزیع مجدد نورون‌های قشری و عملکرد اختصاصی آن‌ها همراه با چشم سالم می‌شود.

هیوبل و ویسل در مورد اینکه ناهنجاری در کدام قسمت مسیر بینایی موجب اختلال می‌شود، تحقیق کردند. آن‌ها بر روی این قضیه که آیا ناهنجاری مربوط به سلول‌های قشری یا زانویی بود تحقیق کردند، زیرا این اطلاعات به آن‌ها کمک می‌کرد نحوه کارکرد مسیرهای بینایی را کشف کنند. سوال دیگری که آن‌ها مطرح کردند این بود که آیا محروم شدن بچه‌ گربه‌ها از نور( بینایی یا اشیا) موجب این ناهنجاری می‌شود؟ هدف مطالعات آن‌ها توضیح این مسئله بود که محرومیت از هر یک از آن‌ها موجب نقص مداوم در کودکان پس از جراحی خواهد شد.  هیوبل و ویسل همچنین این قضیه را مطرح کردند که آیا سیستم بینایی بچه گربه‌ها به نقص بینایی همانند گربه‌های بالغ یا مسن‌تر پاسخ می‌دهد؟ نتایج مطالعات آن‌ها به این سوال که آیا ارتباطات سیستم بینایی از بدو تولد ایجاد شده‌اند یا پس از تولد تکامل پیدا می‌کنند، پاسخ می‌داد. در نهایت هیوبل و ویسل این سوال را نیز مطرح کردند که آیا ارتباطات نورونی در حضور یک عامل نقص رو به زوال می‌روند یا این که در حضور نقص اصلا تکامل ادامه پیدا نمی‌کنند؟ برای پاسخ دادن به این سوالات هیوبل و ویسل چندین آزمایش پیچیده با بچه گربه‌ها و گربه‌های بالغ انجام دادند.

در دنبال انجام تست‌های بینایی، هیوبل و ویسل در جستجوی پاسخ این سوال بودند که چگونه ناهنجاری اتفاق می‌افتد و چه اثراتی دارد. آن‌ها اجسام زانویی کناری در تالاموس، که مرکز انتقال اطلاعات بینایی از شبکیه به لوب آکسیپیتال است را چک کردند. سلول‌های اجسام زانویی به طور طبیعی به اطلاعات مربوط به یک چشم بیشتر از چشم دیگر پاسخ می‌دهند. اکثر سلول‌های اجسام زانویی که در ارتباط با چشم قبلا بسته شده بودند، محفوظ بوده  و عملکرد مناسبی داشتند. اگرچه با آنالیز این سلول‌ها با میکروسکوپ، هیوبل و ویسل دریافتند، ناحیه کراس سکشن جسم زانویی کناری به میزان متوسط چهل درصد آب رفته بود و بعضی از سلول‌های آن کوچک‌تر شده و بعضی مواد خاصی را در داخل خود داشتند. این نشان دهنده این مسئله است که از این سلول‌ها به میزانی که لازم است استفاده نشده است و این باعث تروفی ناحیه ‌شده است. اجسام زانویی کناری دچار آتروفی شده، زیرا نصف اطلاعات بینایی نرمال را دریافت کرده ولی همچنان انتقال اطلاعات بینایی از چشم به مغز را انجام می‌دهد. محققان هیچ گونه اختلالات جسمی دیگری در مسیر بینایی نیافته‌اند. هیوبل و ویسل نتیجه گرفتند که اختلالاتی که سبب از بین رفتن دید چشم آسیب دیده می‌شود احتمالا در جایی از قشر مغز اتفاق می‌افتد که آخرین توقف در مسیر بصری است.

در قدم بعدی، هیوبل و ویسل به بررسی این مورد پرداختند که آیا اختلال بینایی در بچه گربه‌ها ناشی از محرومیت نور است یا کاهش قدرت دیدن شکل اشیا. نور به رنگ‌ها و همچنین درک نور یا تاریکی توسط چشم اشاره می‌کند، در حالی که فرم اشاره به تشخیص اشکال اشیاء مختلف دارد. محققان برای تعیین علت اختلال بینایی، بچه گربه‌های نوزاد را برداشته و مانع کدر را بر روی یکی از چشم‌هایشان قرار دادند، که مقدار نور ورودی را تنها به میزان ۱۰ تا ۱۰۰ بار کاهش می‌داد. با این حال، مانع اجازه نمی‌داد که بچه گربه‌ها شکل و ترکیب را تشخیص دهند. نتایج نشان می‌داد که سلول‌های قشر تنها به چشم باز پاسخ می‌دهند، اما تغییرات مورفولوژیک در سلول‌‌های اجسام زانویی جانبی به طور قابل توجهی کاهش یافته است. این یافته‌ها نشان می دهد که سلول‌های قشری به علت محرومیت از دیدن شکل اشیا به طریق توزیع مجدد سازگاری یافته‌اند، در حالی که ناهنجاری‌های مورفولوژیکی جسم زانویی جانبی به علت محرومیت نور بوده است.

هیوبل و ویسل این قضیه که آیا بینایی در بچه گربه‌های بزرگتر که قبلا بینایی را تجربه کرده بودند، تکرار می‌شود را بررسی کردند. به این منظور آن‌ها چشم بچه گربه‌ها را در نه هفتگی به مدت یک ماه بخیه زدند. بمحض باز کردن چشم بچه گربه‌ها، محققین دریافتند، توزیع سلول‌های قشر مغزی با چشم‌ها به طور عمده‌ای به نفع چشم‌های باز بود. اگرچه، تقریبا هیچ تفاوت قابل ملاحظه‌ای در اندازه اجسام زانویی مشاهده نشد. و این نتیجه دوباره ، آن‌ها را به این نتیجه رساند که ریشه این ناهنجاری‌ها قسمت زانویی نبود بلکه سلول‌های قشری است.

محققان همچنین این آزمایشات را بر روی گربه‌های بالغ نیز تکرار کردند. آن‌ها مشاهده کردند که پس از محروم نمودن چند ماهه گربه‌های بالغ از نور، هیچ تغییر قابل ملاحظه‌ای در توزیع سلول‌های قشری یا مورفولوژی قسمت زانویی گربه‌ها مشاهده نشد. هیوبل و ویسل به این نتیجه رسیدند که گربه‌های جوان‌تر بیشتر در معرض خطر ایجاد ناهنجاری‌های قشری و همین طور نابینایی قرار دارند. این خطر در هر ماه از زندگی کاهش پیدا می‌کرد و تقریبا در گربه‌های بالغ به صفر می‌رسد. هیوبل و ویسل دریافتند که در آغاز زندگی بچه گربه‌ها دوره زمانی وجود دارد که توانایی مشاهده شکل‌ها و رنگ‌ها تاثیر قابل توجهی در این تکامل دارد.

در نهایت، هیوبل و ویزل این موضوع را بررسی کردند که آیا این مسیر‌ها از ابتدای تولد وجود داشته‌اند و در صورت عدم استفاده رو به زوال می‌روند یا اصلا در صورت عدم استفاده در روزهای ابتدایی اصلا شکل نمی‌گیرد؟ برای پی بردن به پاسخ این سوال آن‌ها از سه بچه گربه دیگر استفاده کردند. محققان چشم‌های یکی از بچه‌ گربه‌ها را وقتی هشت روزه بود (یعنی زمانی که چشم‌ها در بچه گربه شروع به باز شدن می‌کند) بستند. آن‌ها چشم دو بچه گربه دیگر را زمانی که دو تا سه هفته از باز کردن چشمشان گذشته بود، بستند. محققان ارتباط‌های الکتریکی مغز هر سه بچه گربه‌ را در هنگام تولد بررسی کرده و دریافتند که مغز هر سه به تحریکات بینایی همچون گربه‌های بالغ پاسخ می‌دهد. این مشاهده به این معنی بود که سلول‌های قشری غلبه بصری دارند. اگرچه بچه گربه‌ها می‌توانستند تحریک بینایی از هر دو چشم را تشخیص دهند. هیوبل و ویسل، بعد‌ا، پس از باز کردن دوباره چشم‌های بخیه زده شده و کشف خراب شدن مسیر‌ها و توزیع دوباره‌ی سلول‌های قشری به نفع بینایی نرمال، مسیر‌های الکتریکی مشابه در مغز را بررسی کردند. هیوبل و ویسل به این نتیجه رسیدند که مسیر‌های نرمال در زمان تولد وجود دارند و در صورت عدم استفاده رو به زوال خواهند رفت.

مطالعات هیوبل و ویسل به درک چگونگی تکامل سیستم‌ بینایی در پستانداران کمک‌های بسیاری کرد. ابتدا آن‌ها دوره حیاتی تکامل سیستم بینایی را کشف کردند و سپس پی بردند که محرومیت از دیدن و بینایی در ابتدای تولد و طی این دوره باعث زوال همیشگی این سیستم‌ها خواهد شد. نتایج مطالعات هیوبل و ویسل باعث شد جراحان، آب مروارید مادرزادی را به محض تشخیص در نوزاد جراحی کنند.

نتایج این همکاری ۲۵ ساله تحت عنوان کتاب brain and visual perception به چاپ رسیده است.

فریما فرهنگی
نمایش دیدگاه ها (0)
دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *