ریتمی ثابت برای هماهنگی نواحی مغز

نوروسافاری| عصب‌شناسان مرکز نخستینیان آلمان از چگونگی ارتباطات سلول‌ها در شبکه‌ی عصبی مغز پرده برداشتند. مغز مانند یک مرکز فرماندهی است که هر آنچه ما انجام می‌دهیم (تفکر، احساسات، فعالیت‌های حرکتی و …) را کنترل می‌کند. شبکه‌ای که با بیش از ۱۰۰ میلیارد سلول عصبی متصل به هم و بیش از ۱۰۰هزار میلیارد درگاه ارتباطی (سیناپس) سازوکار بروز این پدیده‌ها را فراهم می‌کند.

به گزارش نوروسافاری به نقل از وبسایت موسسه لایبنیتز، عصب شناسان موسسه لایبنیتز آلمان برای اولین بار آزمایشی ترتیب دادند که می‌تواند نحوه‌ی سازماندهی شبکه‌ی عصبی مغز و نحوه انتقال جریان اطلاعات بین نواحی مختلف مغزی را در سطح سلولهای عصبی، نشان دهد.

از مطالعات انجام شده روی میمون‌های رزوس، دریافتند که سلول‌های عصبی که در نواحی مختلف مغز کنترل حرکت‌های دست را به عهده دارند به واسطه‌ی گروه‌های عملکردی سازمان‌‌دهی شده‌، همکاری گسترده‌ای با هم دارند.
 
همچنین نشان داده‌اند که تعداد اندکی از سلول‌های عصبی که ارتباط بیشتری با سایرین داشته و نقش مرکزی در شبکه دارند (هاب‌ها) نقشی اساسی در سازمان‌دهی جریان اطلاعات دارند. این هاب‌ها به واسطه‌ی ارتباط گسترده‌ای که بایکدیگر دارند نقش یک ستون فقرات را در مسیرهای ارتباطی بازی می‌کنند.

نکته جالب توجه اینجاست که نحوه‌ی ارتباط هاب‌ها با یکدیگر با سایر سلول‌ها متفاوت است. فعالیت‌ منظم و دوره‌ای هاب‌ها که با هم همگام شده باشد، پردازش اطلاعات را بین هابها ممکن می‌سازد.
از این مشاهده می‌توان چنین برداشت کرد که سلول‌های عصبی با همدیگر همگام می‌شوند تا با متصل کردن عملکردی نواحی مختلف مغز، وظایف در نظر گرفته شده برای مغز را به انجام برسانند.

فعالیت‌های منتسب به مغز مانند:‌ تفکر، یادآوری، ادراک و کنترل حرکت، فقط و فقط برخواسته از فعالیت شبکه‌ی سلول‌های عصبی است. تحقیقات بسیاری روی این موضوع تمرکز کرده‌اند تا چگونگی ساختار این شبکه ها را روشن سازند.

 با استفاده از رویکردهای مبتنی بر نظریه‌ی گراف و ابزارهای مطالعات مغز مانند الکتروانسفالوگرافی (EEG) و تصویربرداری عملکردی به روش تشدید مغناطیسی (FMRI)‌ مشخص شده است که سلول‌های عصبی در نواحی مختلف مغز به صورت شبکه‌های پیچیده سازمان‌دهی شده‌اند،که همین ساختار پیچیده،باعث پردازش سریع اطلاعات با حداقل خطا می‌شود. اما امکان بررسی رفتار تک سلول‌ها به کمک این ابزارها ممکن نیست در حالی که برای فهم چگونگی پیدایش برخی بیماری‌های عصبی مانند اسکیزوفرنی و اوتیسم داشتن چنین اطلاعاتی در سطح شبکه عصبی ضروری است.

مطالعه در سطح سلول عصبی
بنیامین دان از آزمایشگاه نوروبیولوژی موسسه‌ی فوق گفت: هدف ما در این مطالعه در ابتدا پیدا کردن ارتباط بین سلول‌های عصبی است که در نواحی مختلف مغز قرار گرفته‌اند و پس از آن این که دقیقا طریقه‌ی سازمان‌دهی جریان اطلاعاتی که بین سلول‌های عصبی که در نواحی جداگانه مغز قرار گرفته اند به چه صورت است. برای این منظور به سه میمون گرفتن جسم خاصی را آموزش دادیم و در حین انجام این کار فعالیت سلول‌های عصبی در سه ناحیه‌ی مجزای مغز: قشر قدامی درون‌آهیانه‌ای (AIP) ، قشر پیش‌حرکتی (F5) و قشر حرکتی اولیه (M1) با آرایه‌ای از میکروالکترود‌ها اندازه‌گیری کردیم. این نواحی مورد اشاره در مغز شبکه‌های عصبی را تشکیل می‌دهند که کنترل برنامه ریزی و اجرای حرکات دست را به عهده دارتد.

سلول‌های عصبی در هاب‌ها هماهنگ فعالیت می‌کنند
 طبق یافته‌ی پژوهش‌گران سه ناحیه‌ی اشاره شده در مغز شبکه‌ای به شدت درهم تنیده را تشکیل می‌دهند که می‌توان به زیر بخش‌های عملکردی (ماژولها) کوچکتر تقسیم‌شان کرد. جالب اینجاست که این واحدها را نمی‌توان به صورت کامل متعلق به هیچ‌یک از سه ناحیه دانست. ۸۴ درصد واحدها به یک ناحیه محدود نشده‌اند و سلول‌های عصبی دو ناحیه دیگر را نیز شامل می‌شوند. علاوه بر این سلول‌های خاصی هستند که نقش مرکزیت و محوری دارند. این سلول‌ها یا هاب‌ها اتصالات نامتناسب بیشتری نسبت به سایر سلول‌ها دارند. بنیامین دان ادامه داد:‌ به دلیل وجود اتصالات فراوان نوعی قطب (RICH-CLUB) در سطح شبکه های سلولی تشکیل می‌دهند که می‌تواند در مسیریابی و سازمان‌دهی جریان اطلاعات در شبکه استفاده شود.

طبق مشاهدات پژوهشگران قطب‌ها به صورت هماهنگ با یکدیگر فعال می‌شوند و با همین آهنگ با سراسر شبکه در ارتباط هستند. این در حالی است که فعالیت سایر سلول‌های عصبی اساسا نامنظم و غیرهماهنگ است. بنیامین دان افزود:‌ما اولین گروهی هستیم که نشان داده‌ایم فعالیت هماهنگ در فرکانسی ثابت در هاب‌ها و قطب‌ها یکی از ویژگی های مهم و اساسی هاب‌ها است و در سازمان‌دهی جریان اطلاعات نقشی اساسی دارد. بنیامین دان نتایج این تحقیق را در این جمله خلاصه کرد:‌ به نظر ما همگامی سلول‌های عصبی سازوکاری را فراهم می‌کند تا سلول‌های عصبی سرتاسر مغز ارتباطی سریع و پایدار باهم داشته باشند. بنابراین حتی گروه‌های سلول‌های عصبی که در شبکه های مغزی در فاصله دوری از هم قرار گرفته‌اند می‌توانند از نظر عملکردی با هم در ارتباط قرار بگیرند تا فعالیت یا فکر خاصی را انجام دهند.

در آینده می‌توان از این پژوهش برای فهم بهتر بیماری‌های عصبی مانند اسکیزوفرنی و اوتیسم که بر اثر اختلالاتی که در همگامی سلول‌های عصبی و تغییراتی که در ساختار شبکه عصبی مغزایجاد می‌شود، کمک گرفت. داشتن اطلاعات دقیقی از این فرایندها در مغز، برای توسعه‌ی درمان‌های جدید بسیار مهم است.

ترجمه:‌علیرضاکاووسی – وبسایت نوروسافاری

لینک گزارش این پژوهش در ژورنال e-life:

Uniting functional network topology and oscillations in the fronto-parietal single unit network of behaving primates

لینک خبر در وبسایت موسسه لایبنیتز:

Nerve cells with a sense of rhythm