بزرگ‌ترین نقشه مغزی تاریخ: جزئیات شگفت‌انگیز نورون‌ها و فعالیت آن‌ها

آیا تاکنون به این فکر کرده‌اید که چگونه می‌توان در ابعادی بسیار کوچک، هزاران نورون و سیناپس را به‌طور دقیق نقشه‌برداری و فعالیتشان را اندازه‌گیری کرد؟ در جدیدترین پژوهش‌، محققان موفق شده‌اند بزرگ‌ترین نقشه مغزی تاریخ را از یک میلی‌متر مکعب بافت مغز موش ترسیم کنند و همزمان به فعالیت‌های نورونی آن نیز پی ببرند. این اقدام بی‌سابقه، درک ما را از ساختار و عملکرد مغز چندین گام جلوتر می‌برد.

مغز پستانداران (از جمله موش و انسان – سامانه‌ای فوق‌العاده پیچیده است که بررسی آن برای دهه‌ها ذهن دانشمندان را درگیر کرده است. بزرگ‌ترین نقشه مغزی تاریخ نه تنها اطلاعات آناتومیکی دقیق از تعداد نورون‌ها و سیناپس‌های موجود در یک بخش کوچک از مغز موش در اختیار می‌گذارد، بلکه از طریق ثبت فعالیت نورون‌ها، داده‌هایی کم‌نظیر درمورد نحوه پردازش اطلاعات و شکل‌گیری پیوندهای عصبی ارائه می‌کند.

نقشه‌برداری بی‌سابقه: از برش‌های میکروسکوپی تا هوش مصنوعی

1. ثبت فعالیت نورون‌ها: پژوهشگران ابتدا فعالیت حدود ۷۶هزار نورون در بخش بینایی مغز موش را ضبط کردند. برای این کار، موش حین تماشای تصاویر و ویدیوهای مختلف (حتی بخش‌هایی از فیلم ماتریکس) تحت نظارت قرار گرفت تا نحوه واکنش نورون‌ها در مواجهه با محرک‌های بصری بررسی شود.

2. برش‌های بسیار نازک بافت مغزی: پس از اتمام مرحله ثبت فعالیت نورون‌ها، پژوهشگران تکه‌ای کوچک (حدود یک میلی‌متر مکعب) از مغز موش را به هزاران برش بسیار نازک تقسیم کردند؛ ضخامت هر برش تقریباً یک‌چهارصدم ضخامت یک تار موی انسان بود.

3. تصویربرداری و بازسازی سه‌بعدی: این برش‌های میکروسکوپی با فناوری‌های پیشرفته تصویربرداری شدند. سپس تصاویر حاصل برای تشکیل نقشه سه‌بعدی از نورون‌ها و سیناپس‌ها به هم متصل گردید.

4. هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی: در نهایت با استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشینی، موقعیت نورون‌ها، سیناپس‌ها و شاخه‌های عصبی تشخیص داده و حاشیه‌نویسی شد. اینجاست که قدرت بی‌حد و مرز هوش مصنوعی در مدیریت داده‌های عظیم و یافتن الگوهای پنهان، خود را نشان می‌دهد.

ترکیب نقشه آناتومیک و فعالیت نورونی

از دیدگاه علوم اعصاب، تلفیق داده‌های ساختاری و عملکردی مغز یک پیشرفت حیاتی محسوب می‌شود. پژوهشگران موفق شدند در کنار ترسیم بزرگ‌ترین نقشه مغزی تاریخ، firing patterns نورون‌ها و برقراری ارتباط بین آن‌ها را نیز مستند کنند. این در نوع خود رویدادی کم‌نظیر است، چراکه تاکنون هیچ پژوهشی در این ابعاد قادر به ارائه همزمان ساختار و عملکرد نبوده است.

نکته کلیدی: این داده‌ها نشان می‌دهد نورون‌هایی که به محرک‌های بصری مشابه پاسخ می‌دهند، تمایل دارند با یکدیگر ارتباطات قوی‌تری داشته باشند. این یافته، نظریه قدیمی «Fire together, wire together» را در ابعاد گسترده تأیید می‌کند؛ اما در عین حال تنوع بسیار زیادی را در شدت این ارتباطات نشان می‌دهد.

دستاوردهای کلیدی پروژه

• حجم عظیم داده: محققان در این نقشه، بیش از ۲۰۰هزار سلول مغزی شناسایی کردند که ۸۲ هزار مورد آن نورون بودند و مابقی شامل سایر سلول‌های پشتیبان (گلیا و …) است.

• تعداد بی‌سابقه سیناپس‌ها: در این بلوک کوچک از مغز، بیش از ۵۰۰ میلیون نقطه اتصال سیناپسی شناسایی شد.

• طول حیرت‌انگیز اتصالات عصبی: جمع طول اتصالات عصبی (آکسون‌ها و دندریت‌ها) در این ناحیه بالغ بر ۴ کیلومتر بوده است.

• ترسیم الگوی فعالیت نورونی: داده‌ها نشان دادند هنگامی که موش به تصاویر یا ویدیوهای مختلف نگاه می‌کند، نورون‌هایی که به یک ویژگی بصری (مثلا حرکت در یک جهت خاص) حساس هستند، بیشتر به هم متصل می‌شوند.

چرا این پژوهش اهمیت دارد؟

1. پیشرفت در حوزه یادگیری ماشینی: داده‌های این نقشه دقیق و کامل، به پژوهشگران هوش مصنوعی امکان می‌دهد تا مدل‌های زیستی‌تری از شبکه‌های عصبی مصنوعی بسازند.

2. مطالعه حافظه و یادگیری: نحوه ذخیره و فراخوانی خاطرات بصری (مثلا یادآوری یک جشن تولد) به میزان زیادی به اتصالات نورونی بستگی دارد. حال با وجود چنین نقشه‌ای، محققان می‌توانند مکانیزم‌هایی را که قبلا صرفا تئوری بودند، به‌طور تجربی بررسی کنند.

3. درک بیماری‌های عصبی: بسیاری از بیماری‌های مغزی مانند آلزایمر و پارکینسون از اختلالات سیناپسی و نورونی ریشه می‌گیرند. داده‌های دقیق این پروژه می‌تواند الهام‌بخش توسعه درمان‌های جدید باشد.

کاربردهای آینده

• نقشه‌برداری مغزی در مقیاس‌های بزرگ‌تر: تنها ۰٫۲٪ از کل مغز موش در این پژوهش بررسی شده است. اما فناوری‌های اثبات‌شده اکنون راه را برای ترسیم کل مغز یا حتی سایر گونه‌ها – از جمله انسان – هموار می‌کند.

• توسعه هوش مصنوعی بیولوژیک: با الگوگیری از بزرگ‌ترین نقشه مغزی تاریخ، الگوریتم‌هایی خلق می‌شود که یادگیری و پردازش اطلاعات را شبیه مغز طبیعی انجام می‌دهند.

• افزایش همکاری‌های میان‌رشته‌ای: جمع‌بندی و فهم این حجم عظیم داده، مستلزم همکاری بین متخصصان علوم اعصاب، مهندسان، متخصصان داده و ریاضی‌دانان است. چنین پروژه‌هایی می‌تواند همکاری‌های بزرگ‌تر و مؤثرتر در آینده را شکل دهد.

این دستاورد بی‌سابقه نه تنها درک ما از نحوه پردازش اطلاعات را بالاتر برده، بلکه دیدی تازه از اتصال‌های سیناپسی و چگونگی شکل‌گیری و تقویت آن‌ها ارائه می‌کند. داده‌های به‌دست‌آمده در این پژوهش، نوید تحول شگفت‌انگیز در علم عصب‌شناسی، فناوری هوش مصنوعی و حتی توسعه درمان‌های مؤثرتر برای بیماری‌های عصبی را می‌دهد. درنهایت، بزرگ‌ترین نقشه مغزی تاریخ تنها نقطه آغازی است برای آنچه در ادامه ممکن است به نقشه‌برداری کامل مغز ختم شود.