نوروسافاری | طبق یک پژوهش جدید، بخش های کوچکی از مغز هستند که حتی در زمان بیداری شخص، طی یک چرخه، همواره به خواب رفته و دوباره بیدار میشوند. این چرخه ها وقتی به حالت بیداری سوق داده میشوند که توجه به انجام یک عمل وجود داشته باشد.

زمانی که در خواب عمیق هستیم فرکانس امواج ناشی از فعالیت مغزی ما فروکش کرده و به صورت موج های بزرگ و واضحی (شبیه موج مکزیکی در یک استادیوم ورزشی) دیده میشوند.

به گزارش نوروسافاری به نقل از وبسایت دانشگاه استنفورد، محققان دانشگاه استنفورد به تازگی دریافتند که این چرخه ها در بیداری نیز همانند زمان خواب وجود دارند. با این تفاوت که این موج های خاص، به جای تمام مغز، تنها در بخش های کوچکی دیده میشوند. به طوری که انگار بخش های کوچکی از مغز همواره به صورت مستقل به خواب رفته و دوباره بیدار میشوند.

به نظر میرسد وقتی نورون ها در چرخه ی خود وارد حالت “فعال تر” یا “روشن” میشوند بهتر نسبت به دنیای بیرون واکنش نشان میدهند. بعلاوه نورون ها در حالتی که فرد متوجه انجام کاری است، بیشتر در حالت روشن میمانند. این یافته ها نشان میدهند که فرآیندهایی که فعالیت مغز در هنگام خواب را تنظیم میکنند ممکن است در “توجه” نیز نقش داشته باشند.

تاتیانا اینگل، محقق پسادکتری و نویسنده ی نخست مشترک این پژوهش (که در ژورنال ساینس به چاپ رسیده است)، گفت:”توجه انتخابی شبیه این است که بخش های کوچکی از مغز را وادار کنیم کمی بیشتر بیدارتر شوند.” دانشجوی اسبق تحصیلات تکمیلی، نیکولاس استینمتز نیز، دیگر نویسنده ی نخست مشترک این تحقیق است که آزمایش های فیزیولوژی عصبی را در آزمایشگاه تیرین مور انجام داد. دکتر مور، استاد نوروبیولوژی و یکی از نویسنده های ارشد این کار است.

چرخه ی روشن و خاموش

فهم این چرخه های تازه کشف شده نیازمند این است که اندکی از نحوه ی سازماندهی مغز بدانیم. اگر الکترودی را مستقیما درون مغز فرو کنید، تمام سلول های مغزی ای که با آنها برخورد میکنید، به موارد یکسانی واکنش نشان میدهند. در یک ستون ممکن است آنها مسئول واکنش به اشیائی باشند که در بخش خاصی از میدان بینایی قرار دارند به طور مثال در بخش راست بالا.

تیم تحقیقاتی مجموعه هایی از پین های (الکترودها) بسیار حساس را بکار گرفتند. این پین ها قادر هستند که فعالیت یک ستون از نورون های مغزی را ثبت کنند. در گذشته میدانستیم که هر نورون بین دو حالت فعالیت کمتر و بیشتر نوسان میکند. اما با این پژوهش، برای اولین بار مشخص شد که نورون های موجود در یک ستون قشر مغز همه با هم این چرخه را طی میکنند. چرخه ای شامل شلیک نورونی بسیار سریع و سپس شلیک نورونی با سرعت بسیار پایین تر مشابه چرخه های موجود در هنگام خواب.

دکتر کوابنا بواهن، استاد مهندسی زیستی و مهندسی برق در دانشگاه استنفورد و یکی از نویسنده های ارشد این مقاله گفت:” در طول حالت روشن، همه ی نورون ها با هم شروع به شلیک با سرعت زیادی میکنند. سپس به طور ناگهانی، آنها تغییر حالت داده و با سرعت بسیار پایینی شلیک میکنند. این تغییر حالت ها بین روشن و خاموش همواره در حال رخ دادن است و طوری اتفاق می افتد که گویی نورون ها دائما با شیر یا خط  انداختن تصمیم میگیرند که روشن یا خاموش باشند.”

آن دسته از چرخه هایی که در هنگام بیداری رخ میدهند و زمان رخ دادن آنها در مقیاس ثانیه ها یا کسری از ثانیه هاست، آنچنان قابل مشاهده نیستند زیرا بر خلاف زمان خواب عمیق، امواج آنها در تمام مغز منتشر نمیشود بلکه تنها در فصایی نزدیک به همان ستون نورونی قابل رویت هستند.

توجه کردن

تیم تحقیقاتی دریافت که حالتهای فعال تر و کمتر فعال در مغز به توانایی واکنش به دنیای خارج مرتبط است. گروه تحقیقاتی الکترود را در بخشی از مغز میمون ها قرار دادند که بخش خاصی از تصاویر موجود در دنیای بیرون را تشخیص میداد. به میمون ها آموزش داده شده بود که به علائم خاصی در نقطه خاصی از میدان بینایی توجه کنند. این علائم نشان دهنده ی یک تغییر کوچک و قریب الوقوع در بخش خاصی از میدان بینایی (راست بالا یا چپ پایین) بودند. در صورتی که میمون ها متوجه تغییری که رخ داده بود میشدند، به آنها پاداشی داده میشد.

وقتی میمون ها علامتی را مشاهده میکردند که نشان میداد تغییر در کدام ناحیه رخ خواهد داد، نورون های موجود در آن ستون نورونی مربوط به آن نقطه از میدان بینایی، زمان بیشتری را در حالت روشن باقی می ماندند. البته آنها همواره چرخه ی خود را بین دو حالت فعالتر و کمتر-فعال داشتند اما در هنگام توجه کردن به علامت مذکور، زمان بیشتری را در حالت فعال تر سپری میکردند. اگر محرک بصری یا همان تغییر، در هنگامی ظاهر میشد که نورون ها در حالت فعال تر بودند، میمون با احتمال بسیار بیشتری قادر به تشخیص تغییر بود.

دکتر اینگل بیان کرد:” در صورتی که نورون های یک ستون قشری در حالت فعال تر باشند، میمون در تشخیص تغییر (محرک بصری) بسیار خوب عمل میکند. اما در حالت کمتر-فعال یا خاموش این چنین نیست.” حتی زمانی که میمون میدانست که باید به یک ناحیه ی خاص توجه کند اگر نورون ها در حالت کمتر-فعال بودند، میمون مکرر در تشخیص تغییر محرک اشتباه می کرد.

دکتر اینگل معتقد است این یافته ها برای بسیاری از افراد آشناست. وی اشاره کرد، مثلا زمانی که فکر میکنید در حال توجه کردن هستید اما همچنان مواردی را از دست میدهید.

دانشمندان بیان کردند که این یافته ها به پژوهش های قبلی نیز مرتبط است. پژوهش هایی که نشان میدهند، انسان ها و حیوانات هوشیارتر، مردمک چشم بازتری دارند. در پژوهش اخیر نیز، زمانی که نورون های مغز میمون ها، زمان بیشتری را در حالت فعالتر سپری میکردند، مردمک چشم های آنها بازتر بود. یافته ها، خبر از وجود تعامل بین نوسانات همگام موجود در مغز، توجه به انجام یک کار و نشانه های خارجی هوشیاری میدهند.

دکتر مور بیان کرد:” به نظر میرسد که مکانیزم هایی که توجه و برانگیختگی را تحت تاثیر قرار میدهند، کاملا به هم وابسته هستند.”

حالت های “انرژی پایین”

سوالی که به وجود می آید این است که چرا در هنگام بیداری، نورون ها طی یک چرخه وارد حالت کمتر فعال میشوند. چرا در مدت بیداری نورونها در حالت فعالتر خود باقی نمی مانند؟ شاید فرد به طور مثال مورد حمله ی یک حیوان وحشی قرار بگیرد.

یکی از جواب ها میتواند به مصرف انرژی مرتبط باشد. دکتر بواهن بیان کرد:” شلیک همیشگی نورونها به قیمت پرداخت هزینه ی متابولیک خواهد بود.” مغز انرژی زیادی مصرف میکند و شاید این چرخه به سلول های مغزی این شانس را میدهد تا به میزان همان کاهش سطح فعالیت، برای مغز انرژی ذخیره کنند. همچنین، وقتی نورون ها خیلی فعال هستند، پسماند های سلولی تولید میکنند که میتوانند به سلول ها صدمه بزنند. دکتر اینگل اشاره کرد که حالت های کمتر فعال در سلول ها میتوانند زمان لازم برای پاکسازی پسماندهای سلولی را فراهم کنند. همچنین وی افزود:” این مقاله پیشنهاد دهنده ی محل هایی است که باید پاسخ این سوالات را در آنجا جستجو کنیم.”

مترجم: سید محمد رضا گواهی – وبسایت نوروسافاری

لینک گزارش این پژوهش در ژورنال ساینس:

Selective modulation of cortical state during spatial attention

لینک گزارش این تحقیق در وبسایت دانشگاه استنفورد:

Portions of the brain fall asleep and wake back up all the time, Stanford researchers find