چگونگی کار مغز

شاید پژوهشگران دانشگاه استنفورد توانسته‌ باشند معمای کار درونی مغز را حل کنند که شامل میلیاردها نورون است و در بسیاری مناطق متفاوت سازمان یافته‌اند و هر منطقه اصولاً مسوول انجام وظایف متعدد است.
غالباً مناطق مختلف مغز به‌صورت مستقل ازهم کار می‌کنند و برای انجام کار به نورون‌های درون منطقه اتکاء دارند. اما دربعضی موارد دیگر، برای انجام کاری که درجریان است باید دو منطقه با یکدیگر همکاری کنند.
دراین مورد معما این است: با چه مکانیسمی درزمان نیاز به همکاری، دو منطقه‌ی مغز با هم ارتباط می‌یابند و زمانی که باید به تنهایی کار کنند چه مکانیسم از تداخل‌کاری این ناحیه جلوگیری می‌کند؟
طی مقاله‌یی که درنشریه‌ی Nature Neuroscience انتشار یافته، یک گروه ازمهندسی برق دانشگاه استنفورد یک جریان را آشکار ساخته‌اند که پیش از این ناشناخته بود و زمانی که لازم است برای انجام یک وظیفه فعل مشترکی انجام شود به نواحی مغز کمک می‌کنند تا با‌‌هم‌ همکاری کنند. این مورد نخستین مکانیسم‌هایی است که درمقالات درمورد جریان‌ یافتن دائمی اطلاعات در نواحی مغز و نحوه‌ی ارتباط با آنچه مورد نیاز است گزارش شده‌است.
درابتدا این تجربه برای بررسی نحوه‌ی آماده‌سازی و کمک به مغز درانجام حرکات سریع و صحیح طرح‌ریزی شده بود. این مسأله در کوشش‌های آزمایشگاهی برای ساخت وسایل پروتزی که توسط مغز کنترل می‌شوند اساسی ‌به‌نظر می‌رسد. اما پژوهشگران برای بررسی‌داده‌های خود که بعضی یافته‌های آن گسترده‌تر از حرکت دست است ازیک رویکرد جدید استفاده‌کردند. درآزمایشگاهی که پیشتاز آنالیز نحوه‌ی عملکرد تعداد بسیار زیادی نورون ‌به‌عنوان یک واحد است وقتی محقققان این تکنیک‌های جدید را برای بررسی حرکات دست به‌کار گرفتند، راهی را کشف کردند که طی آن مناطق مختلف مغز نتایج را درمحل حفظ می‌کرد و یا در صورت لزوم پیام‌هایی برای فراخوانی سایر مناطق پخش می‌کرد. نورون‌ها همیشه درحال آتش‌زنی firing بوده و همیشه به هم ارتباط دارند بنابراین لازم است کنترل شود کدام سیگنال، یک ناحیه را به ناحیه‌ی دیگر مرتبط می‌کند.
دانشمندان با بررسی میمون‌هایی کارشان را آغاز کردند که آموزش دیده بودند حرکات دقیق بازو انجام دهند. به این میمون‌ها آموزش داده شده بود تا پیش از رسیدن به هدف به‌سرعت مکث کنند و به‌این‌ترتیب مغز را یک لحظه  پیش‌از حرکت آماده سازند. باید به‌خاطر داشت که هدف از این بررسی کمک به ساخت پروتزهایی بود که با مغز کنترل می‌شد. از آنجایی که نورون‌های مغز همیشه سیگنال به‌ خارج ارسال می‌دارند، مهندسان باید می‌توانستند فرمان انجام عمل را از سیگنال‌هایی تشخیص دهند که با آماده‌سازی همراه است.
برای درک نحوه‌ی انجام این کار با بازوی میمون، دانشمندان درطول انجام تجربه ازسه نقطه نوار تهیه کردند از عضلات بازو و از هر یک از دو قسمت حرکتی مناطق قشری مغز که حرکات بازو را کنترل می‌‌کند. نوارهای عضله به دانشمندان امکان داد تا یقین کنند چه نوع سیگنالی درمرحله‌ی آماده‌‌سازی درمقایسه با مرحله‌ی عمل، بازو دریافت می‌دارد. نوارهای مغزی پیچیده‌تر بودند. دو منطقه‌‌، حرکات بازو را کنترل می‌کند. این دو منطقه نزدیک بالای مرکز مغز و در یک اینچی کنار آن قرار دارند. هریک ازاین دومنطقه از بیش‌از 20‌میلیون نورون‌ ساخته‌شده‌اند. دانشمندان، می‌خواستند رفتار هردو منطقه را درک ‌کنند ولی نمی‌توانستند میلیون‌ها نورون را آزمایش نمایند. به‌این‌ترتیب از نوار نمونه‌های حدود‌100‌تا‌200‌ نورون‌ فردی در هر‌یک از‌این دومنطقه استفاده کردند. ضمن تجارب، دانشمندان در دو سطح قرائت مغز میمون‌ها را بررسی نمودند. در‌یک سطح، فعالیت نورون‌ها به‌تنهایی در‌نظر گرفته می‌شد یعنی نورون‌ با چه سرعت یا با‌چه آهستگی پیام‌ را ارسال می‌دارد ‌(آتش‌زنی). در سطحی بالاتر، دانشمندان توانستند الگوهای تغییر در فعالیت‌ بسیاری از نورون‌ها را شناسایی کنند. این روش درعلوم عصبی، تکنیکی نسبتاً تازه است و به آنالیز جمعیت و بعد موسوم است و هدف ازآن درک چگونگی کار نورون‌ها با یکدیگر در تمامی مناطق مغز است.
یافته‌های کلیدی از درک نحوه‌ی کار نورون‌های فردی با یکدیگر به‌عنوان یک جمعیت برای راندن ماهیچه‌ها به‌دست آمد. ضمن آنکه میمون‌ آماده‌ی حرکت می‌شد ولی بازوی خود را تکان نمی‌داد، در بسیاری از نورون‌های هر دو منطقه‌ی کنترل حرکت، تغییرات وسیع‌ فعالیت‌ ثبت می‌شد. اما این فعالیت آماده‌سازی سبب ایجاد حرکت نمی‌شد. چرا؟
دانشمندان پی بردند که ضمن مرحله‌ی آماده‌سازی، مغز با دقت تغییرات فعالیتی فردی تمامی نورون‌های درون هر منطقه را متعادل می‌سازد. درحالی که بعضی نورون‌ها زودتر آتش می‌کنند، عده‌یی دیگر از فعالیت‌ می‌افتند و به‌این‌ترتیب، تمامی جمعیت نورونی یک پیام ثابت به عضله ارسال می‌دارند. اما درلحظه‌ی عمل، قرائت جمعیت به صورتی قابل اندازه‌گیری و سازگار تغییر می‌یابد.
با مشاهده‌ی این داده‌ها، دانشمندان توانستند این تغییرات را در سطح جمعیت با خم شدن ماهیچه‌‌ها ارتباط دهند. این تغییر در سطح جمعیتی، به افتراق عمل از آماده‌سازی منتهی می‌شود.