مارتا زلاتیک (Marta Zlatic) مالک کلکسیون فیلمی است که از آن می‌توان به عنوان کسل‌کننده‌ترین مجموعه‌ی فیلم یاد برد! او در آزمایشگاه خود در پردیس تحقیقاتی جانلیای ویرجینیا، بالغ بر ۲۰,۰۰۰ ساعت فیلم سیاه‌وسفید از لاروهای مگس میوه (دروسوفیلا) جمع کرده است. ستاره‌های این فیلم‌ها کارهای روزمره و خسته‌کننده‌ی خود را انجام می‌دهند؛ مثلاً هی لول می‌خورند و می‌خزند ولی به رسیدن ما به پاسخ یکی از بزرگ‌ترین سؤالات نوروساینس کمک خواهند کرد: چگونه مداربندی مغز ما به رفتارهایمان شکل می‌دهد؟
این هدف عمده‌‌ای در زمینه‌ی علوم عصبی می‌باشد: سر در آوردن از ارتباط نورون‌ها با یکدیگر، چگونگی انتقال سیگنال بین سیناپس‌ها و ارتباط آن‌ها با هم برای کنترل اعمال یک جانور به منظور تصمیم‌گیری یا مثلاً بیان احساسات و هوشیاری در انسان‌ها.
حتی تحت یکنواخت‌ترین موقعیت‌ها “روشنایی نرمال؛ بدون نشانه‌ی حسی و گرسنگی” لاروهای مگس می‌توانند ۳۰ واکنش متفاوت را انجام دهند که شامل عقب کشیدن و چرخاندن سر و غلط خوردن می‌شود. این عملکردها با ۱۵,۰۰۰ نورون در مغز ایجاد می‌گردند و قابل مقایسه با معادل انسانیِ ۸۶ میلیونیِ خود نیستند. این یکی از دلایلی است که حرکات کسل‌کننده‌ی مگس میوه را برای زلاتیک و همکارانش جذاب کرده است.
آلبرت کاردونا (Albert Cardona)، همکار و همسر زلاتیک که او هم در جانلیا است می‌گوید:
در این زمان، لاروهای دروسوفیلا واقعاً نقطه‌ی قابل‌اتکای خوبی هستند. اگر بتوان نمودار مناسبی از سیم‌کشی‌های عصبی رسم کرد، نقطه‌ی شروعی عالی برای مطالعه‌ی چگونگی عملکرد سیستم عصبی مرکزی محسوب می‌شود.
زلاتیک و کاردونا دو گروه از چندین گروه را در جهان رهبری می‌کنند که به دنبال طراحی نمودارهای جزئی از سیم‌کشی‌های مغز در ارگانیسم‌های مدل می‌باشند. ابزارها و تکنیک‌های جدید برای لایه‌برداری از مغز و ردیابی ارتباطات آن به پیشرفت‌های سال‌های اخیر شتاب داده و نمودارهای شبکه‌ی عصبی حاصل، باعث شگفتی شده است؛ برای مثال نشان داده شده است که مغز می‌تواند از یک شبکه در راه‌هایی چندگانه برای ساختن رفتاری یکسان استفاده نماید.
مقاله‌ی مرتبط: علوم عصبی و استنطاق؛ چرا شکنجه کارایی ندارد؟
با این حال حتی در مقابل ساده‌ترین مدار، با ابعادی کوچک‌تر از آن‌هایی که زلاتیک به آن‌ها پرداخته، چالش بزرگی وجود دارد. مدارها در ترتیب و عملکرد بین جانوران متفاوت اند. سیستم‌ها آنقدر بال‌وپر دارند که نسبت دادن یک عملکرد به یک مدار کار دشواری است. علاوه بر این، تنها مشخص کردن ارتباطات، به‌وجود آمدن رفتارها را توضیح نمی‌دهد. عوامل دیگری مثل مواد شیمیایی عصبی هم باید در نظر گرفته شوند. Florian Engert که در دانشگاه هاروارد در حال تدوین اطلسی از مغز گورخرماهی است اینگونه بغرنج بودن مسأله را توضیح می‌دهد:
من تلاش می‌کنم از واژه‌ی “درک کردن” بپرهیزم. ما از به کار بردن این کلمه واقعاً چه مفهومی را در نظر داریم؟ حتی اگر مدارها نقشه‌بندی شوند، باز هم ما قادر به درک هیچ چیزی نخواهیم بود.
هنوز، دانشمندان در حال شروع به تشخیص دادن الگوهایی ساده هستند که شاید در مغرهای پیچیده‌تر هم عمل کنند. امید دانشمندان بر این است که بتوانند از این طریق به اصول کلی برای درک سیستم‌های بزرگ‌تر نائل شوند.
تمرین روی مدارها
ساده‌ترین مغزی که دانشمندان نمودار کامل سیم‌کشی مدارهای آن را در اختیار دارند، متعلق به یک کرم‌لوله‌ای (Caenorhabditis elegans) می‌باشد که فقط ۳۰۰ نورون دارد. کانکتوم این جانور (نقشه‌ای برای هر مدار عصبی منفرد) در دهه‌ی ۱۹۸۰ کامل شد ولی داشتن نگاهی دقیق به این کانکتوم‌ها در حال فعالیت، کار دشواری است. علاوه بر این برخی متخصصان علوم عصبی درباره‌ی اینکه مغز کرم‌ها مانند مغزهای بزرگ‌تر عمل نماید، شک دارند.
مقاله‌ی مرتبط: کنترل هوشیاری در مغز انسان
بخاطر دلایلی که گفته شد بسیاری، از جمله زلاتیک تصمیم گرفته‌اند کار خود را روی جانور بی‌مهره‌ی دیگر سامان دهند؛ مگس میوه. کرم‌های این حشره به اندازه‌ی کافی در رفتارهایشان پیچیده و جالب هستند ولی بخاطر تعداد اندک نورونی که دارند برای عملی کردن یک پروژه‌ی نقشه‌برداری از مدارهای عصبی، کافی به نظر نمی‌آیند. علاوه بر این‌ها، زلاتیک و همکارانش هم تکنیک‌های خودشان را دارند؛ مثلاً اُپتوژنتیک که در آن پروتئین‌های حساس به نور برای پایش و کنترل فعالیت عصبی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
زلاتیک و کاردونا برای خودکار کردن این فرآیند پرزحمتِ ردیابی تمام ارتباطات از بخش‌های متفاوت در حال گسترش روش‌هایی برای جمع‌آوری تصاویر مقطعی و با وضوح بالا از مغز کرم‌های مگس میوه هستند. سپس با هماهنگ کردن رفتارها و الگوهای فعالیت با نقشه‌هایشان به این سؤال پاسخ خواهند داد که کدام مدار کدام رفتار را می‌سازد؟
برای مثال، یکی از معماها این است که مغز، چگونه بین دو فعالیتی که در حال رقابت با یکدیگرند یکی را انتخاب می‌کند. سال گذشته، کاردونا، زلاتیک و تیم‌شان مدار مجتمعی را که به لارو مگس اجازه می‌دهد بین فشردن سر و خم کردن آن در برابر باد یکی را انتخاب کند، ردیابی کردند. (همین حشره شاید بار اول سرش را جلوی باد بگیرد ولی دفعه‌ی بعدی سرش را خم کند). این محققان نورون‌های مسئول این پاسخ در برابر حرکت هوا را شناسایی و با استفاده از اُپتوژنتیک آن‌ها فعال کردند. آن‌ها مشاهده کردند که چگونه در عرض چند میلی‌ثانیه، مدار مربوط به فشردن سر مهار شده و مدار خم کردن تقویت می‌شود. سپس مدلی رایانه‌ای هم برای پیش‌بینی این پاسخ در شرایط گوناگون ساخته شد.
آزمایشگاه‌های زیاد دیگری هم در حال مطالعه‌ی کانکتوم مگس سرکه‌ی بالغ هستند. کل مغز که شامل ۱۳۵,۰۰۰ نورون می‌شود زیاد است؛ به همین دلیل دانشمندان بخش‌هایی از آن را برای مطالعه انتخاب می‌کنند.
برای مثال Tobin روی بخشی از مغز مگس میوه کار می‌کند که در پروسه‌ی بویایی (مداری به نام گلومرولوس بویایی) نقش دارد. مغز مگس ۵۰ عدد از این گلومرولوس‌ها دارد که هر کدام در منطقه‌ای به عرض کمتر از ۲۰ میکرومتر چند نورون را میزبانی می‌کند. هر یک از این ساختارها به نصف تقسیم می‌شود تا سیگنال‌ها را از آنتن راست و چپ مگس دریافت نماید. در آخرین مطالعه‌ی Tobin که در ماه می منتشر شد، او و همکارانش یکی از این گلومرولوس‌ها را با ظرافت هر چه تمام لایه‌لایه کرده و با استفاده از میکروسکوپی الکترونی طرح همه‌ی ۵۰ نورون از یک نوع ویژه را بازسازی کردند. در مقایسه‌ی بین دو نیمه برخی از تفاوت‌ها در شمار و مداربندی آشکار شد ولی عملکرد مدارهای بدون تغییر بود.
مقاله‌ی مرتبط: پیش‌بینی آینده با اسکن مغز!
Tobin پیشنهاد می‌کند سیم‌کشی مدار تغییر غیرمنتظره در رشد را که عامل متفاوت دیده شدن دو نیمه است، جبران می‌کند. این هم‌آرایی و هماهنگی به نظر می‌آید مشخصه‌ی عمومی همه‌ی مغزها باشد و می‌تواند در برخی اختلالات از بین برود. بیماری‌ها با از کار انداختن این هماهنگی بدون جبران خود را نشان می‌دهند.
Engert تمرکز کار خود را وقف مغز گورخرماهی (Danio rerio) کرده است که تقریباً ۱۰۰,۰۰۰ نورون دارد. در ماه می امسال، تیم او بازسازی کامل مغز این جانور و نگاهی به مسیرهایی که نورون‌های مشابه هنگام رشد با آن گسترش و ارتباط پیدا می‌کنند، در مقاله‌ای منتشر کرد. برخلاف پستانداران در گورخرماهی دسته‌ها از مغز به صورت مسیرهایی با تصویر آینه‌ای همدیگر پائین آمده به یک طرف بدن جانور می‌روند. به نظر می‌رسد چیزی که برای راهنمایی این مسیرها مهم می‌باشد، برنامه‌ی ژنتیکی آن‌هاست. این جزمیت بیشتر از چیزیست که قبلاً فکر می‌کردیم.
من حتی واژه‌ای هم برای توصیف آن ندارم. این کار فراتر از پتابایت‌هاست.
برخی گروه‌ها در حال نموداربرداری مدارهای مناطق مغز موش هستند. برای مثال، در سال ۲۰۱۴، گروهی به رهبری سباستین سئونگ از دانشگاه پرینستون، نقشه‌ای از نورون‌ها و ارتباطات‌شان در شبکیه‌ی موش را منتشر کرد. با مطالعه‌ی شکل نورون‌ها و ارتباطات‌هایی که درست کرده بودند (برای مثال نورون‌های ستاره‌ای‌شکل نسبت به نورون‌هایی با شاخه‌های کمتر، سیناپس‌های بیشتری داشتند) محققان چگونگی گذر سیگنال‌ها را حدس زده بودند. برخی از سلول‌هایی که اخیراً روی نقشه آمده‌اند، به فرستادن جریان با تأخیر معروف هستند که شاید چگونگی انتقال اطلاعات درباره‌ی یک شی در حال حرکت را توضیح دهد.
اوج ترافیک!
اگر شبکه‌های عصبی بتوانند فقط یک درس به ما بیاموزند، این است که هیچ شبکه‌ای آنقدر کوچک نیست که مطالعه‌اش ما را شگفت‌زده کند یا به درکمان بیافزاید. دانشمند علوم عصبی Eve Marder برای ۳۰ سال است که در ماساچوست روی مداری ساده با ۳۰ نورون متعلق به سیستم معده‌ای یک خرچنگ کار می‌کند. وظیفه‌ی این مدار ساده است ولی هنوز و با گذشت چند دهه نمودار آن تکمیل نشده و رازهایی در بین این ۳۰ نورون جریان دارد. برای مثال Marder نشان داده که شاید مدارها در جانوران مختلف یکسان به نظر بیایند و همان پیامد را هم سبب شوند، ولی به صورت گسترده‌ای در قدرت سیگنال‌ها و هدایت در سیناپس‌ها با هم فرق می‌کنند.
امروز و با تجربه‌ای حداقل ۳۰ساله، او مشغول به این کار است که چگونه مدارها با وجود عوض شدن چیزهایی مثل کانال‌های یونی و گیرنده‌ها، هویت خود را ثابت نگه می‌دارند.
چه قوانینی در پس ثبوت با وجود این همه تغییر است؟ ما از دانستن این که چگونه باید با انواع اطلاعاتی که از رفتار و مهارت پیچیده‌ی یک جانور می‌گیریم، مقابله نمائیم، عاجزیم.
دانشمندان برای این مقابله آماده می‌شوند. این تلاش به یافتن چند راه جدید برای جمع‌آوری و آنالیز اطلاعات منجر شده و این راه‌ها طی پنج سال اخیر مستقل و باقابلیت شناخته شده‌اند. گروه زلاتیک با دیگر محققان در جانلیا برای به کار بردن ابزارهای اُپتوژنتیک خود همکاری می‌کند. او از تمام متخصصان و دانشمندان کامپیوتر و یادگیری ماشینی برای طبقه‌بندی رفتار مگس‌ها کمک خواسته است.
در آن طرف، در آزمایشگاه کاردونا، دانشمندان روی نقشه‌بندی مغز لاروها با استفاده از هزاران تصاویر از ارتباطات مغزی کار می‌کنند. این نقطه‌ی آغاز روند آن‌هاست:
مدارها را بشناس، آن‌ها را دست‌کاری کن و به تماشای رفتار بنشین.
در طی همین روند آن‌ها از مداری در مغز دروسوفیلا پرده‌برداری کرده‌اند که متعلق به ساختارهایی به نام اجسام قارچی است. این ساختارهای با برقراری ارتباط بین احساسات پاداش یا تنبیه با اطلاعات حسی، یادگیری و حافظه را کنترل می‌کنند. این کار خیلی عظیم است. کاردونا می‌گوید که بازسازی قسمتی ۱۶۰ نورونی از مدار بویایی مگس از او و همکارانش ۱,۱۰۰ ساعت وقت گرفته است.
آن‌هایی که روی مدارهای بزرگ‌تری کار می‌کنند، اغلب مشکل را تجزیه و تحلیل می‌کنند؛ ابتدا لیستی از انواع سلول‌ها آماده می‌شود. اطلس اتصالات مغز موش در مؤسسه‌ی Allen برای علوم مغز در سیاتل این وظیفه را برعهده دارد. در کاری که سال ۲۰۱۴ منتشر شد، این تیم فقط در قشر بینایی موش ۴۹ سلول مختلف پیدا کرده بودند. این سلول‌ها در اندازه، شکل، سرعت انتقال جریان و بیان ژنتیکی تفاوت دارند. حدس زده می‌شود تا پایان این کار ۱۰,۰۰۰ نوع نورون در کل مغز کشف گردد.
مقاله‌ی مرتبط: مؤسسه‌ی Allen؛ آینده‌‌ای بر دانش سلولی
زمانی که از Hongkui Zeng، محقق مؤسسه‌ی آلن پرسیده شد چقدر اطلاعات برای نقشه‌برداری کل مغز موش لازم است، در ابتدا خندید!
باید از اعداد نجومی استفاده کنیم. حتی نمی‌دانم که واژه‌ای برای توصیفش وجود دارد یا نه. این عدد فراتر از پتابایت است. پتابایت‌ها پتابایت!
تازه این تخمین برای یک کانکتوم یک مغز است؛ در حالی که دانشمندان دوست دارند چند مغز را با هم مقایسه کنند. به نظر می‌آید این تفاوت بسیار جالب و عملکردی باشد.
یکی دیگر از اقدامات پیش‌گامانه‌ی دانشمندان علوم عصبی ثبت فعالیت چندین نورون با هم است. در این مسیر، محققان می‌توانند یکی از نورون‌ها را تحریک کرده و فعال شدن نورون‌های دیگر را دنبال نمایند و از این طریق به زنجیره‌ای از دستورها می‌رسند که به رفتارهای ما شکل می‌دهد.
حتی در بین همان مدار ۳۰ نورونی معده‌ی خرچنگ در کار Marder نیز این کار هنوز فرضیه‌ای بیش نیست. Marder می‌تواند روی دسته‌ای از سلول‌ها الکترود قرار دهد. بقیه که اینگونه تحقیقات را پیش می‌برند از تکنیک‌های مختلفی برای نمایندگی فعالیت یک سلول استفاده می‌نمایند. برای مثال، محققان قادرند میزان کلسیم آزادشده از نورون‌ها را هنگام فعال شدن آن‌ها بسنجند یا با تغییر ولتاژ در عرض غشای سلول با فلوروسانس آن را دنبال نمایند. با این حال این کار مانند اندازه‌گیری سرعت یک خودرو با نسیمی است که از کنار آن می‌گذرد! اکنون تکنیک حال حاضر می‌تواند همه‌ی نورون‌ها را ثبت نماید ولی با تأخیری به اندازه‌ی دو ثانیه؛ چیزهایی که در این بین اتفاق می‌افتد از نگاه ما پنهان است.
به دست گرفتن پویایی مدارها با دقت بالاتر می‌تواند از لحاظ پزشکی به ما کمک نماید. ماردِر ۲۵ سال از عمر خود را صرف آموزش شبکه‌های مغز به دانشجویان کرده است؛ همان مدارهایی که نمونه‌ای از آن‌ها در بیماری پارکینسون حضور دارد. هر چقدر دقت روی نمودار این مدار بیشتر باشد، مسیرها هم بیشتر تصحیح می‌شوند.
درست است که اگر درمان پارکینسون مؤثر باشد این مدارها زیاد اهمیت ندارند، ولی برای پاسخ دادن به این پرسش که چرا داروها در برخی افراد مؤثر و در برخی ناکارآمد هستند، مهم می‌باشد. شواهد بالینی پیشنهاد می‌کنند که افراد مختلف با بیماری پارکینسون موارد غیرعادی اساسی متفاوتی نیز در برخی مناطق مغزی و مدارها دارند.
