به گزارش خبرنگار «» آیا واقعاً می‌دانیم مغز چگونه کار می‌کند؟ در چند دهه گذشته، دانشمندان گام‌های بلندی در درک این اندام فوق العاده پیچیده برداشته‌اند. دانشمندان در حال حاضر اطلاعات زیادی در مورد نوروبیولوژی سلولی مغز می‌دانند و در مورد ارتباطات عصبی مغز و اجزای تشکیل دهنده این ارتباطات اطلاعات زیادی کسب کرده‌اند. با وجود این، مجموعه کاملی از سؤالات مهم بی پاسخ مانده‌اند، و در نتیجه، مغز همچنان یکی از اسرار بزرگ و وسوسه انگیز علم است.
اما اکنون تیمی از دانشمندان علوم اعصاب و فیزیکدانان در دانشگاه پرینستون با مطالعه بر روی مغز یک کرم بسیار کوچک اما همه جا حاضر به نام Caenorhabditis elegans به روشنگری در مورد چگونگی جریان اطلاعات در مغز کمک می‌کنند. جزئیات این آزمایش در شماره اخیر مجله نیچر شرح داده شده است.
مدل ژنتیکی
شاید یکی از آزاردهنده ترین این سوالات حول درک ما از مغز به عنوان یک سیستم باشد. دانشمندان هنوز تا حد زیادی در مورد نحوه عملکرد مغز به عنوان شبکه‌ای از اجزای متقابل، در مورد نحوه همکاری همه اجزای عصبی و به ویژه نحوه پردازش اطلاعات بین و بین این شبکه پیچیده از نورون‌ها، در تاریکی هستند. این تیم متشکل از فرانچسکو رندی، سوفی دوالی و آنوج شارما بود و توسط اندرو لیفر، عصب شناس و فیزیکدان رهبری می‌شد. لیفر گفت: " مغزها هیجان انگیز و مرموز هستند. تیم ما به این سوال علاقه مند است که چگونه مجموعه‌ای از نورون‌ها اطلاعات را پردازش کرده و اقدام را تولید می‌کنند." لیفر افزود، علاقه به این سوال پیامدهای گسترده‌ای دارد. درک اینکه چگونه شبکه‌ای از نورون‌ها کار می‌کند، نمونه‌ای خاص از یک کلاس گسترده‌تر از سوالات در فیزیک بیولوژیکی است، یعنی اینکه چگونه پدیده‌های جمعی از شبکه‌های سلول‌ها و مولکول‌های متقابل پدید می‌آیند. این حوزه تحقیقاتی برای بسیاری از موضوعات مرتبط با فیزیک بیولوژیکی و همچنین فناوری‌های پیشرفته معاصر، مانند هوش مصنوعی، پیامدهایی دارد. اولین قدم در پاسخ به این سوال که چگونه اطلاعات از طریق شبکه‌ای از نورون‌های متقابل پردازش می‌شوند، مستلزم آن بود که لیفر و تیمش ارگانیسم مناسبی را پیدا کنند که به راحتی در آزمایشگاه قابل دستکاری باشد. معلوم شد که این سی. الگانس (C.elegans) ، یک نماتد غیر انگلی یا کرم گرد است که چندین دهه توسط دانشمندان مورد مطالعه قرار گرفته و به عنوان یک ارگانیسم مدل ژنتیکی در نظر گرفته شده است. ارگانیسم‌های مدل معمولاً در آزمایشگاه برای کمک به دانشمندان در درک فرآیندهای بیولوژیکی استفاده می‌شوند، زیرا آناتومی، ژنتیک و رفتارهای آن‌ها به خوبی شناخته شده است.
سی. الگانس
کرم الگانس که نام کامل و صحیح آن Caenorhabditis elegans است و نخستین پرسلولی است که نقشه ژنی آن به درستی و کامل ترسیم و در سال ۱۹۹۸ منتشر گردید، طول این کرم تقریباً یک میلی متر است و در بسیاری از محیط‌های غنی از باکتری یافت می‌شود. به خصوص مربوط به مطالعه فعلی این واقعیت است که ارگانیسم دارای یک سیستم عصبی از تنها 302 نورون در کل بدن خود است که 188 تای آن در مغز او قرار دارد. لیفر گفت: " در مقابل، مغز انسان صدها میلیارد نورون دارد. بنابراین، مطالعه این کرم‌ها بسیار ساده‌تر است. در واقع، این کرم‌ها برای آزمایش عالی هستند، زیرا تعادل مناسبی بین سادگی و پیچیدگی برقرار می‌کنند." مهم‌تر اینکه لیفر اضافه کرد، سی. الگانس اولین موجودی بود که سیم کشی مغزش به طور کامل نقشه برداری شد. این بدان معناست که دانشمندان نمودار جامعی از تمام نورون‌ها و سیناپس‌ها، مکان‌هایی که نورون‌ها به طور فیزیکی با نورون‌های دیگر متصل می‌شوند و با آن‌ها ارتباط برقرار می‌کنند، جمع‌آوری کرده‌اند. این رشته تلاش در اصطلاح علوم اعصاب کانکتومیکس نامیده می شود و نمودار نقشه جامعی از ارتباطات عصبی در مغز یک موجود زنده به عنوان کانکتوم شناخته می‌شود. یکی از اهداف اصلی کانکتومیکس، یافتن اتصالات عصبی خاص مسئول رفتارهای خاص است.
نحوه بررسی مطالعه
یک مزیت اضافی در استفاده از C. elegans در آزمایشات آزمایشگاهی این است که کرم شفاف است و در موارد خاص، بافت آن از نظر ژنتیکی مهندسی شده است تا حساس به نور باشد. این حوزه از تحقیقات به عنوان اپتوژنتیک شناخته می‌شود و بسیاری از جنبه‌های آزمایش در علوم اعصاب زیستی را متحول کرده است. به جای سیستم معمولی استفاده از الکترود برای رساندن جریان به نورون و در نتیجه تحریک پاسخ، از تکنیک اپتوژنتیک شامل استفاده از پروتئین‌های حساس به نور از ارگانیسم‌های خاص و کاشت آن سلول‌ها در ارگانیسم دیگر یا پاسخ‌هایی با استفاده از سیگنال‌های نوری است تا محققان بتوانند رفتار یک موجود زنده را کنترل کنند. در واقع اپتوژنتیک به‌طور ساده به معنای برانگیختگی نوری یا بازداری نوری سلول‌های هدف نیست، بلکه اپتوژنتیک باید دستور انجام دادن یا ندادن یک فعالیت خاص را به سلول برساند؛ بنابراین به دقتی از مرتبه میلی ثانیه نیاز می‌باشد و این میزان از دقت باید قابل استفاده در سیستم‌های سالم مانند مغز پستانداران که آزادانه حرکت می‌کنند؛ باشد. به طور مشابه، پروتئین‌های دیگر را می‌توان برای روشن شدن و گزارش هنگامی‌که یک نورون به نورون دیگر سیگنال می‌دهد استفاده کرد. این به معنای دو چیز مهم برای آزمایش‌های آزمایشگاهی است، اول اینکه یک موجود زنده به حضور نور پاسخ می‌دهد، و دوم اینکه یک نورون، هنگامی‌که سیگنالی از نورون دیگر دریافت می‌کند، روشن می شود. این به محققان اجازه داده است تا تعامل نورون‌ها را به صورت بصری مطالعه کنند. لیفر می‌گوید: " آنچه واقعاً در مورد این ابزار قدرتمند است این است که می‌توانید به معنای واقعی کلمه نورون‌ها را روشن کنید و سیگنال‌های آن‌ها را در زمان واقعی تماشا کنید.در اصل، ما می‌توانیم مشکل اندازه گیری و دستکاری فعالیت عصبی را به جمع آوری و رساندن نور مناسب به مکان مناسب در زمان مناسب تبدیل کنیم."
در نهایت
این ابزارهای نوری به تیم لیفر اجازه دادند تا کار پر دردسر درک چگونگی جریان اطلاعات در مغز کرم را آغاز کنند. هدف این بود که بفهمند چگونه سیگنال‌ها مستقیماً در کل مغز کرم جریان می‌یابند، بنابراین هر نورون باید اندازه‌گیری می‌شد. این شامل جداسازی یک نورون در یک زمان، تابش نور بر روی آن به طوری که فعال شود و سپس مشاهده نحوه پاسخ نورون‌های دیگر بود. لیفر گفت: " برای این آزمایش، ما یک نورون را در یک زمان از کل مغز عبور دادیم، هر نورون را فعال یا مختل کردیم و سپس پاسخ کل شبکه را مشاهده کردیم. به این ترتیب، ما توانستیم نحوه عبور سیگنال‌ها را در شبکه ترسیم کنیم." لیفر در آخر افزود: " این رویکردی بود که قبلاً هرگز در مقیاس کل مغز انجام نشده بود."