به گزارش بخش اخبار پزشکی زوم تک ,در یک دستاورد علمی خارق‌ العاده، گروهی از دانشمندان موفق به ساخت بزرگ‌ترین و دقیق‌ ترین نقشه از ساختار مغز یک پستاندار در مقیاس یک میلی‌متر مکعب شده‌اند. این اطلس بی‌سابقه که جزئیات حیرت‌ انگیزی را در این حجم کوچک آشکار می‌سازد، دریچه‌ای نو به سوی درک پیچیدگی‌ های بی‌شمار مدارهای عصبی و ارتباطات سلولی در مغز پستانداران می‌گشاید. این نقشه میکروسکوپی که با استفاده از فناوری‌ های پیشرفته تصویربرداری و تحلیل داده‌ها به دست آمده، نه تنها دیدگاه ما را نسبت به سازماندهی مغز متحول می‌کند، بلکه می‌تواند راهگشای تحقیقات آتی در زمینه علوم اعصاب و درمان بیماری‌ های مرتبط با مغز باشد.

شکستن کد مغز: دانشمندان نقشه دقیق نیم تریلیون اتصال عصبی مغز موش را ارائه کردند

در یکی از برجسته‌ ترین دستاوردهای تاریخ علوم اعصاب، تیمی عظیم از دانشمندان موفق به خلق یک نقشه سه‌ بعدی، فوق‌العاده دقیق و پویا از بخش کوچکی از مغز یک موش شده‌اند. این نقشه که تنها یک میلی‌ متر مکعب از قشر بینایی مغز را پوشش میدهد، جهانی مملو از پیچیدگی را آشکار میسازد: بیش از ۲۰۰ هزار سلول عصبی (نورون) و بیش از نیم تریلیون (۵۰۰ میلیارد) اتصال سیناپسی که شبکه ارتباطی این سلول‌ ها را تشکیل میدهند. این موفقیت خیره‌کننده، که زمانی توسط بزرگانی چون فرانسیس کریک “غیرممکن” پنداشته میشد، گامی سرنوشت‌ ساز در مسیر رمزگشایی از اسرار مغز، درک نحوه پردازش اطلاعات و بالقوه، تحولی بنیادین در هوش مصنوعی و درمان اختلالات مغزی و روانی است.

چالش “غیرممکن” کریک و پاسخ دانشمندان امروز

در سال ۱۹۷۹، فرانسیس کریک، دانشمند برنده‌ نوبل و یکی از کاشفان ساختار DNA، با اشاره به پیچیدگی سرسام‌آور مغز، مطالعه‌ی دقیق حتی بخش کوچکی مانند یک میلی‌ متر مکعب از آن را کاری بیهوده و فراتر از توانایی‌ های بشر دانست. این جمله نمادی از چالش عظیمی بود که علوم اعصاب با آن روبرو بود. اما علم هرگز از حرکت باز نمی‌ایستد. بیش از چهار دهه بعد، مجموعه‌ای از پیشرفت‌ ها در فناوری‌ های تصویربرداری، رباتیک، ذخیره‌ سازی داده و به‌ویژه هوش مصنوعی، به دانشمندان امکان داد تا به قلب این چالش حمله کرده و به پیروزی شگفت‌ انگیزی دست یابند.

پروژه‌ای عظیم: هفت سال، سه موسسه، ۱۵۰ محقق

تهیه این نقشه بی‌ سابقه، نتیجه‌ هفت سال تلاش بی‌ وقفه و همکاری هماهنگ ۱۵۰ پژوهشگر از سه موسسه تحقیقاتی برجسته در ایالات متحده، به‌عنوان بخشی از “پروژه مغز آمریکا” بود. هدف، فراتر از یک نقشه آناتومیک صرف بود؛ دانشمندان به دنبال ایجاد یک “کانکتوم” (Connectome) یا نمودار کامل اتصالات عصبی بودند که با فعالیت عملکردی نورون‌ ها نیز مرتبط شده باشد. به عبارت دیگر، آن‌ ها میخواستند ببینند کدام نورون‌ ها به کدام نورون‌ ها متصل هستند و این شبکه چگونه در پاسخ به تجربیات حسی (در این مورد، دیدن) فعالیت میکند.

سفر به درون مغز: مراحل نقشه برداری

فرآیند پیچیده این نقشه برداری در سه مرحله اصلی و با استفاده از فناوری‌ های پیشرفته انجام شد:

1. مشاهده مغز در حال کار: ابتدا، فعالیت الکتریکی بیش از ۸۰ هزار نورون در بخش مورد نظر از قشر بینایی مغز موش زنده ثبت شد. این کار در حالی انجام گرفت که موش در حال تماشای محرک‌ های بصری، از جمله کلیپ‌ های ویدیویی، بود. این مرحله حیاتی، داده‌ های مربوط به “عملکرد” نورون‌ ها را فراهم کرد.
2. برش‌ نگاری در مقیاس نانو: پس از ثبت فعالیت، بافت مغز با دقت میکروسکوپی برای تصویربرداری آماده شد. با استفاده از ابزارهای فوق دقیق، مکعب یک میلی‌ متر مکعبی مغز به نزدیک به ۳۰ هزار لایه بسیار نازک (نازک‌ تر از تار مو) برش داده شد. سپس هر یک از این لایه‌ ها با استفاده از میکروسکوپ‌ های الکترونی قدرتمند اسکن و تصویربرداری شد تا تمام جزئیات ساختاری، از جمله بدنه سلول‌ ها، شاخه‌های دندریت و آکسون و نقاط اتصال سیناپسی، با وضوح نانومتری ثبت شود. این فرآیند طاقت‌ فرسا به تنهایی ۱۲ روز به صورت مداوم و بدون توقف به طول انجامید.
3. بازسازی سه‌ بعدی به کمک هوش مصنوعی: چالش بعدی، کنار هم گذاشتن این ۳۰ هزار تصویر دوبعدی و بازسازی ساختار سه‌ بعدی کامل این بخش از مغز بود. با توجه به حجم غیرقابل تصور داده‌ ها (۱.۶ پتابایت، معادل حجمی که برای ذخیره ۲۲ سال فیلم HD نیاز است) و پیچیدگی باورنکردنی ساختارها، انجام این کار بدون کمک هوش مصنوعی غیرممکن بود. الگوریتم‌ های یادگیری عمیق آموزش داده شدند تا به طور خودکار مرز بین سلول‌ های مختلف را تشخیص دهند، مسیر شاخه‌ های عصبی را در میان لایه‌ ها دنبال کنند و هر نورون و اتصالات آن را به‌صورت یک ساختار سه‌ بعدی کامل بازسازی نمایند. فارست کالمن این مرحله را به رنگ‌ آمیزی دشوارترین کتاب رنگ‌ آمیزی سه‌بعدی جهان تشبیه کرد که در آن هوش مصنوعی باید میلیون‌ ها جزء را با دقت تفکیک میکرد.

در نهایت، داده‌ های عملکردی (مرحله ۱) بر روی این نقشه ساختاری سه‌ بعدی (مرحله ۳) قرار گرفت تا ارتباط مستقیمی بین ساختار فیزیکی مدارها و فعالیت آن‌ ها در پاسخ به محرک‌ های بینایی برقرار شود.

یافته‌ های شگفت‌انگیز: نظمی در پس پیچیدگی

این نقشه فراتر از اعداد و ارقام حیرت‌ انگیز (بیش از ۲۰۰ هزار نورون، ۴ کیلومتر سیم‌کشی عصبی، ۵۰۰ میلیارد سیناپس)، الگوهای شگفت‌انگیزی از سازماندهی مغز را نیز آشکار کرد. یکی از جالب‌ ترین یافته‌ ها مربوط به نحوه اتصال نورون‌ های مهاری خاصی به نام “سلول‌ های مارتینوتی” بود. مشخص شد که این سلول‌ ها، برخلاف انتظارات قبلی، به‌صورت هدفمند و کاملاً غیرتصادفی تنها با انواع خاصی از نورون‌ های دیگر ارتباط برقرار میکنند.

این کشف نشان میدهد که “سیم‌کشی” مغز، حتی در این مقیاس کوچک، از قوانین و اصول سازمان‌ دهی بسیار دقیقی پیروی میکند. پژوهشگران امیدوارند با تحلیل بیشتر این نقشه بتوانند این “قوانین سیم‌ کشی” را شناسایی کنند؛ قوانینی که ممکن است مانند قوانین فیزیکی، به پیش‌ بینی رفتار شبکه‌ های عصبی و ساخت مدل‌ های دقیق‌ تر محاسباتی از مغز کمک کنند.

از موش تا انسان: چرا این نقشه اهمیت دارد؟

شاید پرسیده شود که صرف این همه منابع برای مغز موش چه فایده‌ای برای درک مغز انسان دارد؟ پاسخ دانشمندان قاطعانه مثبت است. همان‌ طور که فارست کالمن اشاره میکند، بافت مغز در میان پستانداران شباهت‌ های اساسی دارد. انواع سلول‌ های عصبی، مولکول‌ های پیام‌ رسان، الگوهای کلی اتصالات و اصول پردازش اطلاعات در مغز موش و انسان مشترکات فراوانی دارند. درک این مدارهای بنیادین در یک مدل ساده‌تر مانند موش، میتواند کلید فهم عملکردهای پیچیده‌ تر مغز انسان و همچنین ریشه‌ های اختلالات ویرانگری مانند آلزایمر، پارکینسون، اسکیزوفرنی، افسردگی و اضطراب باشد. این دانش میتواند به طراحی داروهای مؤثرتر و روش‌ های درمانی هدفمندتر منجر شود.

چشم‌ انداز آینده: نقشه کل مغز و رازهای هوش و آگاهی

این دستاورد بزرگ، تنها آغاز راه است. دانشمندان پروژه اکنون هدف بزرگ‌ تری را در سر میپرورانند: تهیه نقشه کامل کل مغز موش، پروژه‌ای که از نظر حجم داده و پیچیدگی، حدود ۵۰۰ برابر بزرگ‌ تر از کار فعلی است. اگرچه انجام این کار با فناوری‌ های امروزی ممکن است چندین دهه زمان ببرد، اما تیم تحقیقاتی با تکیه بر پیشرفت‌ های آتی در سرعت تصویربرداری و قدرت هوش مصنوعی، امیدوار است این زمان را به کمتر از یک دهه کاهش دهد.

هدف نهایی فراتر از تهیه نقشه است. امید آن میرود که این داده‌ ها به دانشمندان کمک کنند تا شکاف بین فعالیت عصبی در سطح میکروسکوپی و رفتارهای پیچیده مانند یادگیری، حافظه و تصمیم‌گیری را پر کنند و حتی به درک عمیق‌ تری از ماهیت هوش و خودآگاهی دست یابند. نونو دا کوستا معتقد است اکنون میتوان نظریه‌ های مختلف درباره خودآگاهی را با استفاده از این داده‌ های واقعی بیولوژیکی آزمود.

میراثی برای جامعه علمی جهانی

یکی از جنبه‌ های مهم این پروژه، تعهد به اشتراک‌ گذاری داده‌هاست. نقشه کامل سه‌ بعدی و داده‌ های عملکردی مرتبط با آن، به‌صورت رایگان در اختیار دانشمندان سراسر جهان قرار گرفته است. این امر به محققان دیگر اجازه میدهد تا تحلیل‌ های خود را انجام دهند، مدل‌ های جدیدی بسازند و از این منبع بی‌ نظیر برای پیشبرد پژوهش‌ های خود استفاده کنند. همچنین، این نقشه امکان مقایسه‌ های دقیق بین ساختار مغز موش و گونه‌ های دیگر (مانند مگس میوه که مغز آن پیش‌ تر نقشه برداری شده بود) را فراهم میکند و میتواند به درک بهتر تکامل مغز و شناسایی ویژگی‌ های منحصر به فرد مغز انسان کمک کند.

نتیجه‌ گیری: ناممکن، ممکن شد

شاید فرانسیس کریک درست میگفت که درک مغز کاری فوق‌ العاده دشوار است، اما این پروژه نشان داد که با ترکیب دیدگاه‌ های بلندپروازانه، همکاری‌ های گسترده علمی، پشتکار و قدرت فزاینده فناوری، به‌ویژه هوش مصنوعی، میتوان بر چالش‌ هایی که زمانی “غیرممکن” به نظر میرسیدند، غلبه کرد. نقشه مغز موش نقطه عطفی در علوم اعصاب است و ما را یک قدم بزرگ به رمزگشایی از بزرگترین راز عالم هستی نزدیک‌ تر میکند. راه پیش رو طولانی است، اما این دستاورد چراغی روشن برای ادامه مسیر است.

مجموعه یافته‌ های این پروژه در قالب هشت مقاله علمی در نشریات معتبر گروه نیچر (Nature) منتشر شده است.