در ذهن حیوانات چه می گذرد؟

مغز همه موجودات زنده پیوسته با اطلاعاتی که از محیط پیرامون خود با اندام‎های حسی مثل چشم، گوش، بینی و پوست به دست می‎آورد، بمباران می‎شود. تمام این اطلاعات ابتدا در بخش کورتکس مغز که مسوولیت رفتارهای ارادی ما را برعهده دارد، پردازش می‎شود. سپس مراحل پردازش پیچیده‎تر می شود. اطلاعات از میان بخش های داخلی مغزی متعدد فیلتر می‎شود و در نهایت قشر حرکتی (Motor cortex) مغز فرمان حرکات متناسب با موقعیت را صادر می‎کند. به این ترتیب است که مثلا مگسی را از خود دور یا به سمت غذا حرکت می‎کنیم. به علاوه حالت‎های درونی می‎توانند به طور کامل و بدون ورود حسی و بدون رفتار خروجی، مثل رویاپردازی روزانه یا مرور وقایع طول روز در ذهن، در مغز ایجاد شوند. با پژوهش‎های حوزه علوم اعصاب روی شبکه‎های مغز و رفتار حیوانات، نگرش ما نسبت به ماهیت حالت‎های داخلی مغز پیوسته تغییر می‎کند. در گذشته حیوانات را نوعی ماشین‎های پاسخ دهنده به محرک می‎دانستند. اما اکنون متوجه شده‎ایم که اتفاقات جالبی در مغز حیوانات رخ می‎دهد که شیوه پردازش ورودی‎های حسی را تغییر می‎دهد و درنتیجه رفتار خروجی حیوانات تغییر می‎کند.دو سال قبل دانشمندان در جریان پژوهشی قصد داشتند نقشه‎ای از فعالیت مغز لارو گورخرماهی‎های در حال شکار طعمه به دست آورند و تغییرات ارتعاشات عصبی را مشاهده کنند.سایز لارو گورخرماهی به سختی به اندازه یک مژه می‎رسد. آنها لاروهای گورخرماهی و غذای شان را در ظرف آبی زیر میکروسکوپ قرار دادند و در طول آزمایش‎ها به سلول‎های سایکیک (psychic cells) برخوردند؛ سلول‎هایی که ارتباط فیزیکی با هم ندارند، ولی روی هم تاثیر می گذارند. آنها دریافتند تعدادی از نورون‎ها زمانی را که لارو برای شکار و بلعیدن طعمه حرکت خواهد کرد، پیش‎بینی می‎کنند. حتی بعضی از این نورون‎ها چند ثانیه قبل از این که چشم لارو روی طعمه ثابت شود، فعال می‎شدند. اما مشاهده عجیب‎تر دیگر، فعال شدن طولانی مدت و غیرمعمول سلول‎های سایکیک بود. بیشتر نورون‎ها به طور معمول چند ثانیه فعال می‎شوند، اما این سلول‎ها چند دقیقه فعال بودند.پس از تحقیقات بیشتر متوجه شدند این سلول‎ها احتمالا حالت کلی مغز را تنظیم می‎کنند؛ الگویی از فعالیت طولانی مدت مغز که لاروها را تحریک می‎کند تا مشغول غذایی شوند که روبه‎روی‎شان است. پیش از این نیز دانشمندان با رویکردهای متنوع و در طول مطالعه روی گونه‎های مختلف جانوران متوجه شده بودند، حالات داخلی مغز، نحوه رفتار یک حیوان را تغییر می‎دهد. حتی وقتی هیچ چیزی در محیط بیرونی او تغییر نکرده باشد.گروهی از دانشمندان فرضیه‎هایی را درباره کدنویسی حالت‎های مغز توسط نورون‎ها، بیان می‎کنند. عصب‎شناسان به دنبال درک زبان کدنویسی مغز هستند. آنها می‎دانند چگونه شبکه‎ای از سلول‎ها به مشاهدات حسی از طریق حواس پنجگانه پاسخ می‎دهد و چطور رفتارهایی مثل صحبت و حرکت کردن حاصل می‎شود. اما جزئیات اینها را نمی‎دانند. فعالیت‎های بسیار گسترده عصب‎ها مانع تشخیص الگویی می‎شود که نشان دهنده حالت‎ها و تمایلات حیوانات است و به کنترل رفتار آنها کمک می‎کند.روش‎های جدید به دانشمندان امکان ردیابی پالس الکتریکی در مغز را با جزئیات بسیار خوبی می‎دهد تا رفتار طبیعی حیوان در بازه زمانی میلی ثانیه مشخص شود و از داده‎های به دست آمده یک الگو ترسیم شود. این الگوها می‎توانند علامت مشخصه بی شمار حالت‎های داخلی باشند که مغز امکان انتخاب بین آنها را دارد. اکنون چالش این است که دریابیم این حالات چه معنی دارد.چارچوب‎های مغزبرخلاف نظر گروهی از روان‎شناسان که معتقدند چون حیوانات نمی‎توانند احساسات خود را با کلمات بیان کنند، پس این احساسات به هیچ جه قابل بررسی نیستند، گروهی از پژوهشگران نظریه‎ای برای حالت‎های داخلی مغز که نشان دهنده احساسات است، ارائه کرده و حدس می‎زنند مشخصه‎هایی درباره ارتباط بین مدارهای عصبی با حالت‎های درونی مغز وجود دارد.آنها معتقدند یک حالت درونی مغز از محرک اصلی که آن را ایجاد کرده است، باید بیشتر دوام بیاورد. از این رو ویژگی اصلی یک مدار عصبی که تحت چنین شرایطی است، استمرار آن است. اگر شما در کوه یک مار ببینید، ممکن است از ترس ناگهان بپرید. ده دقیقه بعد حالت درونی مغز شما از ترس هنوز فعال است و اگر یک تکه چوب در مسیرتان ببینید، ممکن است دوباره بپرید.دیگر مشخصه‎های حالت درونی، تعمیم‎پذیری و مقیاس‎پذیری است. تعمیم‎پذیری یعنی محرک‎های مختلف باید بتوانند وضعیت‎های مشابهی را تحریک کنند و مقیاس‎پذیری به این معنی که محرک‎های مختلف می‎توانند حالت‎هایی با دوام متفاوت ایجاد کنند.ساخت فناوری‎های عصبی برای این آزمایش‎ها از سال ۱۳۹۳شمسی/ ۲۰۱۴میلادی شروع شد و ثبت فعالیت تعداد زیادی نورون را همزمان و به صورت مجزا ممکن می‎کرد. یکی از این ابزارها کاوشگر‎های نوروپیکسل هستند؛ اینها به شکل سوزنی به طول ده میلی‎متر هستند که می‎توانند به صورت مستقیم فعالیت صدها نورون را در مناطق مختلف مغز ثبت کنند. همین‎طور با کمک تصویربرداری کلسیمی می‎توان فعالیت ده‎ها هزار تک نورون فعال در مغز را نشان داد. کلسیم، نشان دهنده مولکولی برای بسیاری از سلول‎ها و به ویژه نورون‎هاست. نورون‎ها در حالت معمول سطح کلسیم پایینی دارند و با ایجاد پالس الکتریکی، کلسیم داخل سلول جاری می‎شود. با نشان‎دار کردن کلسیم با مولکول‎های فلوئورسنت، نحوه ارتباط نورون‎ها با یکدیگر نمایش داده می‎شود. مانیتورهای جدید به صورت خودکار رفتار آزادانه حیوانات را برای چند ساعت ضبط و حرکات را در هر میلی ثانیه تحلیل می‎کند. سپس این رفتارها با داده‎های عصبی ثبت شده، تطبیق داده می‎شود تا فعالیت لحظه به لحظه مغز با هر حرکت مشخص شود.به این ترتیب عصب‎شناسان به کمک پیشرفت‎های یادگیری ماشین، هوش مصنوعی و ابزارهای ریاضی جدید، از گیگابایت‎ها و ترابایت‎های داده‎ای که در این آزمایش‎ها تولید می‎شوند، سر درمی‎آورند و الگوهای فعال سازی عصبی نمایانگر حالات دورانی مغز را استخراج می‎کنند.تصویر کلی عملکرد مغزدانشمندان علوم اعصاب به بررسی نورون‎های قسمت‎های مختلف مغز که فعالیت مداومی دارند، می‎پردازند. لارو گورخرماهی‎ها با ۸۰ هزار سلول مغزی پیچیدگی کمتری نسبت به مگس‎ها دارد. به علاوه جنین این ماهی شفاف است و فعالیت تمام نورون‎ها همزمان با هم با استفاده از تصویربرداری کلسیمی قابل مشاهده است. آنها یک میکروسکوپ فلورسانسی را بالای ظرف آزمایشگاهی که لارو در آن شنا می‎کند، قرار دادند تا با هر حرکت لارو و فعال شدن هر نورون عکس‎برداری کند. به علاوه همزمان فیلمبرداری نیز کردند. هر فیلم ۹۰ دقیقه‎ای معادل ۵/۴ ترابایت داده است که می‎توان ثانیه به ثانیه هر حرکت را به فعالیتی عصبی مطابقت داد. دانشمندان متوجه سه گروه نورون در مغز لاروها شدند: آنهایی که همیشه در موضع شکار فعال است، آنهایی که هنگام شناسایی محیط فعال می‎ماند و گروه سوم که با تغییر موقعیت ماهی، برای لحظه‎ای فعال می‎شود. با کمال تعجب مشاهده شد گرسنگی روی حالت‎های ماهی که هر چند دقیقه یک بار تغییر می‎کند، تاثیری ندارد.عصب شناسانی که با جانوران تکامل یافته تری کار می‎کنند، نمی‎توانند تمام مغز را یکباره تحت نظر بگیرند. اما با شبکه‎های گسترده‎ای که در مغز توزیع شده‎، می‎توانند بروز حالت‎های داخلی مغز را پیدا کنند. در آزمایش موش‎ها، با استفاده از تصویربرداری کلسیمی فعالیت هزاران نورون و با وارد کردن یک تک الکترود نوروپیکسل در مغز فعالیت صدها نورون را ثبت کردند.در پژوهشی که سال گذشته منتشر شد، عصب‎شناسان با کاوشگر‎های نوروپیکسل فعالیت ۲۴هزار نورون را در ۳۴ بخش از قشر مغز موش‎های تشنه‎ای که از فواره، آب لیس می‎زدند، ثبت کردند و سیگنال‎های مربوط به حالت مغز از تشنگی و رفتار لیس زدن را به دست آوردند. آنها متوجه شدند نورون‎های سیگنال دهنده این حالت در کل مغز فعال هستند و فقط به هیپوتالاموس که نورون‎های تشنگی به آن اختصاص دارند، محدود نیستند. در تحقیقی دیگر عصب‎شناسان متوجه شدند وقتی موش ها مشغول کاری می‎شوند، نورون‎ها در سراسر مغزشان فعال هستند. اما بخش بزرگی از این فعال شدن، ربطی به کاری ندارد که آن موش انجام می‎دهد. بعضی از آنها مربوط به حرکات موش هستند. اما حدود دو سوم این فعال شدن‎ها ارتباطی با حرکات و اعمال موش ندارد و ممکن است مربوط به حالت‎های داخلی مغز باشد.هنوز برای فهمیدن احساسات حیوانات راه زیادی را باید طی کنیم و پژوهش‎های علمی در سراسر دنیا ما را به این هدف نزدیک می‎کند.زیر نظر گرفتن مغز مگس آماده برای جفت‎یابیدر پژوهشی دیگر دانشمندان رفتار مگس‎ها را بررسی کردند. مگس‎ها مغز کوچکی با صدهزار نورون دارند. مگس‎های نر در حضور مگس ماده صداهای خاصی تولید می‎کنند و با دیگر مگس‎های نر رفتار پرخاشگرانه‎ای دارند. دانشمندان به دنبال یافتن فعالیت عصبی آغازکننده رفتارهای جفت‎یابی و مبارزه‎ای، نورون‎های پی۱ (P۱) را در بخشی از مغز که کنترل رفتارهای اجتماعی را برعهده دارد، پیدا کردند.این نورون‎ها خیلی زود برانگیخته می‎شود و به تنهایی نمی‎تواند مسوول حفظ یک حالت درونی باشد. با استفاده از تکنیک‎های تصویربرداری و تحلیل‎های رفتاری، دانشمندان متوجه فعال شدن سلول‎های دیگر در بخش دیگری از مغز به دنبال فعال شدن نورون‎های پی۱ شدند.این سلول‎های تابع، سریع فعال و غیرفعال می‎شود، اما خوشه‎ای از آنها به نام نورون‎های pCd چند دقیقه فعال باقی می‎ماند.دانشمندان پروتئین‎هایی حساس به نور را در این سلول‎های تابع قرار دادند و آنها را با تابش نور لیزر غیرفعال کردند، همزمان فعالیت پی۱ها هم ناپدید شد. سپس پی۱ها را کنار گذاشتند و پی سی دی ها (pCd) را فعال کردند، اما این بار اتفاقی نیفتاد. نورون‎های پی سی دی به پی۱ها وابسته است و با یک برانگیزش، برای مدت طولانی فعال باقی می‎ماند.دانشمندان این آزمایش را روی موش‎ها با صد میلیون نورون نیز تکرار کردند. آنها گروه خاصی از نورون‎ها را در هیپوتالاموس پیدا کردند، که درست مانند نورون‎های پی سی دی بودند و با احساس ترس فعال می‎شدند.زمانی که موش‎های آزمایشگاهی برای چند ثانیه در کنار موش صحرایی (Rat) قرار می‎گرفتند، دقایقی به دیوار می‎چسبیدند و حالت تدافعی می‎گرفتند. در این مدت نورون‎های تازه کشف شده، فعال بودند. دانشمندان دوباره با نور این نورون‎ها را فعال و غیرفعال کردند و رفتار چسبیدن به دیوار و رهاکردن دیوار پشت سر هم تکرار می‎شد؛ حتی بدون وجود موش صحرایی!مغز پرمشغله!بسیاری از عصب‎شناسان حجم بالای داده‎های به دست آمده از چنین آزمایش‎هایی را بزرگ ترین عامل کند کردن تحقیقات می‎دانند. مهم نیست مدل حیوانی چقدر پیچیده باشد؛ مثلا کرم باشد یا ماهی یا مگس یا موش. سوال اینجاست که چطور تمام مغز حالت‎های داخلی را سازماندهی می‎کند. گروهی از پژوهشگران دریافته اند که حتی مغز کرم الگانس که فقط ۳۲ نورون دارد، مشخصه‎هایی از حالت‎های داخلی مغز را نشان می‎دهد که رفتارهای مشخصی را هدایت می‎کند. مغز کرم دو دسته نورون همیشه فعال دارد که بی‎حرکتی یا حرکت هدفمند کرم را کنترل می‎کنند. آنها توانسته‎اند مدارهای مغزی این دو حالت و تغییر از حالتی به حالت دیگر را شناسایی کنند.درک این که چگونه یک حالت خاص در مغز ظاهر می‎شود، مزایای بالینی زیادی دارد. برای مثال کسانی که درد را در مدل‎های حیوانی بررسی می‎کنند، به آزمایش‎های استانداردی مانند مشاهده زمانی که موش پنجه خود را از یک ظرف داغ برمی دارد، متکی هستند. این حرکت منعکس کننده جنبه‎های محافظتی از درد است، اما درک واقعی از درد نیست.روزنامه جام جم، شماره 5737، 1 شهریور 1399