مغز؛ جعبه سیاهی که هر روز مرموزتر می‌شود

به گزارش گروه وبگردی خبرگزاری صدا و سیما، چند دهه قبل حرکت‌های کهکشانیِ خلاف انتظار وجود مادۀ تاریک را اثبات کرد؛ ماده‌ای که هرگز مشاهده نشده، اما قسمت اعظم کیهان را تشکیل می‌دهد. حال پژوهش‌های جدید نشانگر وجود کارکرد‌هایی خلاف انتظار در مغز است. بر اساس این یافته‌ها مغز حتی برای انجام ساده‌ترین کارکرد‌ها مثل تشخیص بو، بیش از آنچه ما تصور می‌کنیم تغییر می‌کند. آیا این تغییرات نشانۀ توانایی ما در یادگیری است؟ آیا صرفاً خطایی سیستماتیک است؟ یا شاید هم مانند مادۀ تاریک، نشانۀ وجود چیز دیگری پس پرده است که هنوز نمی‌دانیم چیست.

 

 

اِد یانگ، آتلانتیک— کارل اِسکونُوِر و اندرو فینک گیج شده‌اند. این دو دانشمند علوم اعصاب می‌دانند مغز باید منعطف باشد، اما نه بیش از حد. مغز باید در مواجهه با تجربیات جدید خود را بازسازی کند، اما باید ویژگی‌های جهان بیرونی را هم مدام بازنمایی کند. چگونه؟ تعریف نسبتاً ساده‌ای که در کتاب‌های درسی علوم اعصاب یافت می‌شود آن است که وقتی فرد گُلی را می‌بوید، غروب آفتاب را می‌بیند یا صدای زنگی را می‌شنود، احتمالاً گروه‌های مشخصی از نورون‌ها شلیک۱ می‌شوند. فرض بر این است که این بازنمایی‌ها -این الگو‌های شلیک نورونی‌- از یک لحظه تا لحظۀ بعد یکسان باقی می‌مانَد؛ اما همان‌طور که اِسکونُوِر، فینک و دیگران دریافته‌اند، گاهی ماجرا این‌طور پیش نمی‌رود؛ آن‌ها تغییر می‌کنند و تغییرات به‌قدری است که گیج کننده و دور از انتظار است.

 

اِسکونُوِر، فینک و دیگر همکارانشان در دانشگاه کلمبیا موش‌ها را به‌مدت چند روز و چند هفته در معرض رایحه‌های یکسان قرار دادند و فعالیت نورون‌ها را در قشر ﭘﯿﺮﯾﻔـﻮرم مغزِ جوندگان ثبت کردند. پیریفورم ناحیه‌ای از مغز است که در تشخیص بو فعال می‌شود. در یک لحظۀ مشخص، هر رایحه سبب می‌شد گروه مشخصی از نورون‌ها در این ناحیه شلیک شوند؛ اما با گذشت زمان، آرایش این گروه‌ها به‌آرامی تغییر کرد. برخی نورون‌ها دیگر به بو‌ها واکنش نشان نمی‌دادند؛ در عوض برخی دیگر شروع کردند به واکنش نشان‌دادن. پس از یک ماه، هر یک از گروه‌ها تقریباً کاملاً با یکدیگر تفاوت داشتند. بگذارید این‌گونه بگویم که نورون‌هایی که بویِ سیب را در ماه مِی بازنمایی می‌کردند و آن‌هایی که همین بو را در ماه ژوئن بازنمایی می‌کردند، همان‌قدر با یکدیگر تفاوت داشتند که نورون‌هایی که بازنمایی‌کنندۀ بوی سیب و سبزه در هر زمان دیگری بودند.

 

البته، این صرفاً یک پژوهش در ناحیه‌ای از مغز است، آن هم مغز موش‌ها، اما دانشمندانِ دیگر نشان داده‌اند که همین پدیده، که رانش بازنمودی۲ نام دارد، علاوه بر قشر ﭘﯿﺮﯾﻔـﻮرم، در دیگر نواحیِ مغز نیز رخ می‌دهد. وجودش مشهود، اما باقی چیز‌ها معماست. اِسکونُوِر و فینک به من گفتند نمی‌دانند چرا چنین اتفاقی رخ می‌دهد، معنای آن چیست، مغز چگونه با آن مقابله می‌کند و چند درصد از مغز این‌گونه رفتار می‌کند. اگر واکنش‌های نورونیِ حیوانات به جهان همواره در معرض تغییر است، حیوانات چگونه می‌توانند درکی ثابت از جهان داشته باشند؟ اِسکونُوِر می‌گوید اگر این حجم از تغییرات امری متداول است، «باید در مغز مکانیسم‌هایی وجود داشته باشد که کشف نشده‌اند، مکانیسم‌هایی که تصور نمی‌کردیم وجود داشته باشند، اما به مغز اجازه می‌دهند به فعالیت خود ادامه دهد. دانشمندان باید بدانند چه اتفاقی در حال رخ‌دادن است، اما در این مورد خاص، کاملاً گیج شده‌ایم. احتمالاً سال‌ها طول بکشد تا پاسخی برای این مسئله بیابیم».

 

اِسکونُوِر و فینک سال‌ها وقت صرف کردند تا از وجود رانش بازنمودی در قشر ﭘﯿﺮﯾﻔـﻮرم مطمئن شوند. آن‌ها باید برای کاشت الکترود‌ها در مغز موش، تکنیک‌های جراحی ابداع می‌کردند و مطمئن می‌شدند این الکترود‌ها تا هفته‌ها سر جای خود باقی می‌مانند. فقط در این حالت بود که می‌توانستند مطمئن شوند رانشی که مشاهده کرده‌اند، درحقیقت، ناشی از تغییرات نورون‌ها بوده است و نه حرکت‌های اندک خودِ الکترودها. آن‌ها این کار را از سال ۲۰۱۴ آغاز کردند. تا قبل از ۲۰۱۸ مطمئن شدند که می‌توانند داده‌ها را بدون تغییر ضبط کنند. سپس موش‌هایی را که با ایمپلنتِ کاشته‌شده در مغزشان حرکت می‌کردند در فواصل معین در معرض رایحه‌های متفاوت قرار دادند.

 

تیم آن‌ها نشان داد اگر یک نورون در قشر ﭘﯿﺮﯾﻔـﻮرم به بویِ خاصی واکنش نشان دهد، یک در پانزده احتمال دارد که این نورون، پس از گذشت یک ماه، همچنان به بو واکنش نشان دهد. در هر نوبت، تعداد یکسانی از نورون‌ها در واکنش به هر یک از رایحه‌ها شلیک می‌کنند، اما هویت آن نورون‌ها تغییر می‌کند. بوکشیدنِ هر روزه می‌تواند سرعت رانش را کاهش دهد، اما این بوکشیدن‌ها رانش را منتفی نمی‌کند. عجیب است که یادگیری نیز چنین تأثیری ندارد: اگر موش‌ها بو را با یک شوک ملایم الکتریکی تداعی می‌کردند، باز هم نورون‌هایی که آن رایحه را بازنمایی می‌کردند کاملاً تغییر می‌کردند، حتی اگر موش‌ها همچنان از مواجهه با آن رایحه پرهیز می‌کردند. یانیوْ زیوْ عصب‌زیست‌شناسی از مؤسسۀ علوم وایزمن است که در این پژوهش حضور نداشت. او می‌گوید «تصور غالب در علوم اعصاب این بوده است که واکنش‌های نورونی در مناطق حسی در گذر زمان ثابت‌اند. این پژوهش نشان داد که چنین نیست».

 

اِسکونُوِر به من گفت «حداقل به‌مدت پانزده سال اشاره‌هایی وجود داشت» که نشان می‌داد چنین پدیده‌ای در قسمت‌های مختلف مغز وجود دارد. برای مثال، هیپوکامپ به حیوانات کمک می‌کند راه خودشان را در محیط اطرافشان بیابند. هیپوکامپ سلول‌های مکانی را در خود جای داده است. سلول‌های مکانی نورون‌هایی‌اند که هنگام ورود فرد به مکان‌های مشخص، به‌صورت انتخابی، شلیک می‌شوند. وقتی از تختتان تا در اتاق قدم برمی‌دارید، سلول‌هایِ مکانیِ مختلفی شلیک می‌شوند، اما این تنظیمات ثابت نیستند؛ زیوْ و دیگران نشان داده‌اند مکان‌هایی که این سلول‌ها با آن‌ها هماهنگ می‌شوند هم می‌توانند در گذر زمان دچار رانش شوند.

 

لارا دریسکول یکی دیگر از دانشمندان علوم اعصاب است و هم‌اکنون در استنفورد فعالیت می‌کند. در آزمایشی دیگر، او موش‌ها را در یک ماز تقریباً تی‌شکل قرار داد و به آن‌ها آموزش داد به چپ یا راست بروند. دریسکول و همکارانش دریافتند فعالیت‌های این قسمت نیز دستخوش رانش شدند: با وجود آنکه انتخاب‌های جوندگان تغییری

رانش ممکن است بدین معنا باشد که در پسِ پرده چیز دیگری وجود دارد که هنوز نمی‌دانیم چیست

نکرد، نورون‌هایی که به‌هنگام دویدن موش در ماز شلیک می‌کردند به‌تدریج تغییر کردند.

 

این نتایج حیرت‌انگیز بود، اما نه به اندازۀ نتایج جدید. هیپوکامپ در یادگیری و حافظۀ کوتاه‌مدت نیز دخیل است. انتظارمان همین است که هیپوکامپ خودش را بازنویسی کند و، بدین‌ترتیب، مرتب دچار رانش شود. اِسکونُوِر می‌گوید «تاکنون، مشاهدات ما از رانش بازنمودی محدود می‌شد به قسمت‌هایی از مغز که آن را ممکن می‌دانستیم». اما قشر ﭘﯿﺮﯾﻔـﻮرم متفاوت است. این قشر مرکزِ حسیِ مغز است ــ‌ناحیه‌ای که به مغز اجازه می‌دهد محرک‌های اطرافش را درک کند. این قشر باید ثابت باشد. در غیر این صورت، بو‌ها چگونه آشنا به‌نظر می‌آیند؟ اگر رانش بازنمودی در قشر ﭘﯿﺮﯾﻔـﻮرم رخ دهد، می‌تواند در سراسر مغز نیز پدیده‌ای معمول باشد.

 

ممکن است رانش در دیگر مراکز حسیِ مغز شیوع کمتری داشته باشد، مانند قشر بینایی که اطلاعات دریافتی از چشم‌ها را پردازش می‌کند. نورون‌هایی که به بویِ سبزه واکنش نشان می‌دهند، ممکن است از یک ماه به ماه دیگر تغییر کنند، اما به نظر می‌رسد نورون‌هایی که به دیدن سبزه واکنش نشان می‌دهند، تا اندازۀ زیادی یکسان باقی بمانند. شاید علت آن است که قشر بینایی بسیار سازمان‌یافته است. گروه‌های همجوار نورون‌ها تمایل دارند بخش‌های همجوار فضای دیداری را پیش رویمان بازنمایی کنند و این نقشه‌کشی منظم، می‌تواند واکنش‌های نورونی را محدود کند تا بیش‌ازاندازه دچار رانش نشوند. اما این امر صرفاً دربارۀ محرک‌های سادۀ بصری مانند خطوط و میله‌ها می‌تواند صادق باشد. زیوْ، زمانی که موش‌ها فیلم‌های تکراری را بار‌ها می‌دیدند، حتی در قشر بینایی نیز شواهدی یافت که از رانش بازنمودی حکایت می‌کرد.

 

اِسکونُوِر می‌گوید «گمان می‌کنیم این امر بیش از آنکه یک استثتا باشد، قاعده است. هم‌اکنون وظیفۀ ما یافتن مکان‌هایی است که رانش در آنجا اتفاق نمی‌افتد». فینک اضافه می‌کند «در مکان‌هایی که رانش اتفاق می‌افتد، سه مسئله حائز اهمیت است. سرعت پیشروی رانش چقدر است؟ تا کجا را تحت تأثیر قرار می‌دهد؟ و چقدر آسیب‌زاست؟»

 

اگر واکنش‌های نورونی به بو‌ها و دیده‌ها مدام در حال تغییر است، مغز از کجا می‌داند بینی چه چیز را می‌بوید یا چه چیز را می‌بیند؟ یک احتمال این است که مغز به‌نوعی عملکردش را در واکنش به رانش‌ها تصحیح می‌کند. برای مثال، بخش‌هایی از مغز که با قشر ﭘﯿﺮﯾﻔـﻮرم مرتبط‌ند، شاید قادر باشند به‌تدریج درکشان از معنای فعالیت نورونیِ ﭘﯿﺮﯾﻔـﻮرم را به‌روزرسانی کنند. کل سیستم تغییر می‌کند، اما این تغییرات همزمان با یکدیگر رخ می‌دهد.

 

احتمال دیگر آن است که حتی وقتی نورون‌های فعالِ مشخص تغییر می‌کنند، برخی از ویژگی‌های پیشرفتۀ نورون‌هایِ شلیک‌شونده، دستخوش تغییر نمی‌شود، مانند تمثیل ساده‌ای که تیموتی اُلیری، دانشمند علوم اعصاب دانشگاه کمبریج، به من گفت: «افراد در یک جامعه می‌توانند نظرشان را تغییر دهند و درعین‌حال یک اجماع کلّی داشته باشند. در میان جمعیتی انبوه نیز ممکن است سیگنالی یکسان به شیوه‌های متعددی بازنمایی شود؛ بنابراین برای حرکتِ کُد نورونی فضای کافی وجود دارد». برخی پژوهشگران نشانه‌های این الگو‌های ثابت و پیشرفته را در دیگر قسمت‌های رانشی مغز نیز یافته‌اند، اما اِسکونُوِر و فینک نتوانستند این کار را بکنند. نه آن‌ها و نه همکارانشان نمی‌توانند به‌طور قطع بگویند مغز چگونه با رانش بازنمودی کنار می‌آید. آن‌ها حتی نمی‌توانند با اطمینان بگویند که این اتفاق اساساً چرا رخ می‌دهد.

 

شاید رانش صرفاً خطایی در سیستم عصبی باشد، این مسئله‌ای است باید به آن رسیدگی کرد. اُلیری می‌گوید «ارتباطات در بسیاری از قسمت‌های مغز پیوسته در حال شکل‌گیری و ازکارافتادن است و هر نورون نیز به‌طور مداوم مواد سلولی را بازیافت می‌کند». شاید مغز نسخۀ خاکستری و چسبناکِ کشتی تسئوس۳ است که محکوم است در گذر زمان دچار رانش شود، اما اُلیری به من گفت این ایده «قوت چندانی ندارد». سیستم عصبی قادر است ارتباطات دقیق و هدفمندی مانند ارتباط بین ماهیچه‌ها و اعصابی را که کنترلشان می‌کند حفظ کند. به نظر نمی‌آید رانش گریز‌ناپذیر باشد.

 

از سویی دیگر، رانش می‌تواند سودمند باشد. وقتی سیستم عصبی دائماً نحوۀ ذخیره‌سازی اطلاعات موجود را تغییر بدهد، شاید بهتر بتواند داده‌های جدید را در خود جای دهد. دریسکول، که در حال حاضر با استفاده از شبکه‌های مصنوعی، این ایده را ارزیابی می‌کند می‌گوید «اطلاعاتی که همواره مفید نیست، به دست فراموشی سپرده می‌شوند، حال‌آنکه اطلاعاتی که همواره مفید باقی می‌مانند، با رانش ارتقا می‌یابند. هر چه بیشتر به رانش فکر می‌کنم، بیشتر به نظر می‌رسد که این پدیده را در مغز مشاهده خواهیم کرد». اِسکونُوِر نیز این ایده را می‌پسندد و می‌گوید «تفسیر موردعلاقۀ ما از این پدیده آن است که رانش نمود یادگیری است. رانش خودِ یادگیری نیست، دودی است که از آتشِ یادگیری بلند می‌شود».

 

اِسکونُوِر و فینک کشف رانشِ بازنمودی را با کار وِرا روبینِ فضانورد مقایسه می‌کنند. در دهۀ ۱۹۷۰ میلادی، روبین و همکارش کِنت فورد متوجه شدند برخی کهکشان‌ها به‌گونه‌ای می‌چرخیدند که دور از انتظار بود و به نظر می‌رسید این کهکشان‌ها قوانین حرکت نیوتنی را نقض می‌کنند. تحلیل روبین از این داده شواهد مستقیم اولیه‌ای را که برای اثبات مادۀ تاریک لازم بود فراهم کرد. مادۀ تاریک ماده‌ای است که هرگز مشاهده نشده است، اما قسمت اعظم کیهان را تشکیل می‌دهد. اِسکونُوِر می‌گوید به همین نحو، رانش ممکن است بدین معنا باشد که «در پسِ پرده چیز دیگری وجود دارد که هنوز نمی‌دانیم چیست».

 

اما مقایسۀ رانش و کهکشان‌های چرخشیِ روبین از جهت مهمی با شکست مواجه می‌شود. روبین می‌دانست چیز مهمی کشف کرده است، چون می‌توانست داده‌هایش را با مکانیک نیوتنی مقایسه کند. مکانیک نیوتنی نظریه‌ای قطعی است که به‌دقت در علم فیزیک شرح شده است. چنین نظریه‌ای در علوم اعصاب وجود ندارد. علوم اعصاب تصویر روشنی از نحوۀ کار‌کردن هر یک از نورون‌ها دارد، اما وقتی حوزه علوم اعصاب تشنۀ ایده‌های جدید است نوبت به شبکه‌های نورون‌ها، کل مغز و رفتار کل حیوانات می‌رسد، این تصویر مبهم‌تر می‌شود.

 

این ایده را در نظر بگیرید که الگو‌های مشخصی از نورون‌های شلیک‌کننده می‌توانند بوها، دیده‌ها یا صدا‌های مختلفی را بازنمایی کنند. به نظر می‌رسد این ارتباط به‌قدر کافی ساده است، البته از منظر آزمایش‌کننده‌ای که حیوان را در معرض محرکی قرار داده است و سپس در مغز حیوان به دنبال نورون‌های فعال است؛ اما خود مغز فقط با نیمی از آن معادله کار می‌کند، با یک دسته نورون فعال، تا دریابد چه چیزی آن فعالیت را موجب شده است. جان کراکوار، دانشمند علوم اعصاب دانشگاه جان هاپکینز می‌گوید: «صِرف اینکه می‌توانیم این اطلاعات را رمز‌گشایی کنیم، بدین معنا نیست که مغز در حال انجام این کار است».

 

به همین دلیل است که کراکوار می‌گوید پژوهش اسکرونور و فینک «به‌لحاظ تکنیکی دستاورد شگفت‌انگیزی» است، اما «کمی به مغالطۀ پوشالی» ۴ هم شبیه است. او می‌گوید ایدۀ رانش صرفاً زمانی حیرت‌انگیز و هیجان‌آور است که آن را با ایدۀ سادۀ بازنمایی‌ها مقایسه کنیم. این ایده که در کتاب‌های درسی این رشته آمده است هرگز به‌لحاظ نظری منطقی نبوده و از پیش نیز محل تردید بود. کراکوار می‌گوید این مسئله خودش موضوع بزرگتری در حوزۀ علوم اعصاب است. به گفتۀ او «جریان غالب علوم اعصاب متکی است به اینکه روش‌های خاصی اتخاذ کند، نتایج خاصی بگیرد و آن‌ها را در هاله‌ای از مفاهیم گنگ ارائه دهد و غالباً دربارۀ آن‌ها اتفاق‌نظر وجود ندارد. در قسمت اعظم علوم اعصاب، پیش‌فرض‌ها آزمون‌نشده باقی می‌مانند، اما همۀ امورِ دیگر عاری از اشکال تصور می‌شوند».

 

فینک موافق است که ایدۀ بازنمایی‌های ثابت هرگز یک نظریه نبوده است و می‌گوید این ایده بیشتر «فرضی ضمنی» است، فرضی که «چون ساده است» بدان معتقدند. چطور می‌توانست غیر از این باشد؟ خب، نیست. حالا چه؟

 

فینک می‌گوید «حوزۀ علوم اعصاب تشنۀ ایده‌های جدید است» و به همین دلیل است که تصور می‌کند خودش و اسکونور هنوز با واکنش‌های منفی و بدخواهانه مواجه نشده‌اند، واکنش‌هایی که عموماً دانشمندانی با آن مواجه می‌شوند که داده‌هایشان خلاف اصول از آب درمی‌آیند. «مردم واقعاً به‌شدت محتاج نظریه‌اند. این حوزه به‌لحاظ مفهومی آن‌قدر ناپخته است که ما هنوز در مرحلۀ جمع‌آوری خُرده حقایق هستیم و به‌واقع در جایگاهی نیستیم که چیزی را نامحتمل بدانیم». خودِ بازنمایی علوم اعصاب از مغز هنوز جای فراوانی برای رانش دارد.