توانایی‌های شگفت‌انگیز مغز انسان

دلیل علمی که مغز انسان را با مغز حیوانات دیگر متفاوت کرده است.

کد خبر: ۷۵۲۷۰۶

تاریخ: ۱۳ آبان ۱۴۰۳ - ۱۱:۴۹

به گزارش ایران اکونومیست؛ چه چیز خاصی در مورد مغز انسان وجود دارد؟ در این گزارش از اطلس‌های سلولی، ارگانوئیدهای مغز و سایر روش‌ها و داده‌ها برای پاسخ به یک سوال قدیمی استفاده شده است.

قطعا چیزی در مورد مغز انسان وجود دارد که آن را با مغز حیوانات دیگر متفاوت کرده است. چیزی که انسان را قادر می‌سازد برنامه‌ریزی کند، آینده را تصور کند، جدول حل کند، لطیفه‌های طعنه‌آمیز بگوید و بسیاری از کارهای دیگر را انجام دهد که همگی در کنار هم، گونه ما را از سایر حیوانات متمایز می‌کند.

به نقل از نیچر، این توضیح می‌دهد که چرا انسان‌ها به شرایط ویرانگر ذهنی مانند اختلال دوقطبی و اسکیزوفرنی مبتلا می‌شوند که حیوانات دیگر به آن مبتلا نمی‌شوند.

آن چیز چیست؟

در چند سال گذشته، روش‌های جدید برای مطالعه مغز انسان و سایر گونه‌ها شروع به آشکار کردن تفاوت‌های کلیدی با جزئیاتی بیشتر از همیشه کرده‌اند.

اکنون پژوهشگران می‌توانند با فهرست‌بندی ژن‌ها، آران‌ای(RNA) و پروتئین‌ها، از آنچه درون میلیون‌ها سلول مغز اتفاق می‌افتد، آنها را ردیابی کنند و با مطالعه بافت مغز، درس‌هایی کلیدی در مورد چگونگی رشد و عملکرد این اندام می‌آموزند.

تفاوت بین سلول‌های مغز انسان و سایر گونه‌ها اغلب ظریف است. همچنین مغز انسان در مقایسه با سایر حیوانات به کندی رشد می‌کند، اما اینکه چگونه این ویژگی‌ها مهارت‌های شناختی ما را به وجود می‌آورند، هنوز یک راز است. اگرچه محققان سرنخ‌های امیدوارکننده زیادی دارند.

اهمیت اندازه

اگر چیزی وجود داشته باشد که در مورد مغز انسان در مقایسه با مغز سایر پستانداران و حتی برخی از خویشاوندان منقرض شده انسان متمایز باشد، اندازه آن است.

حجم مغز انسان تا سه برابر بزرگ‌تر از مغز شامپانزه‌ها، گوریل‌ها و بسیاری از خویشاوندان منقرض شده انسان است.

اندازه مغز در بیشتر حیوانات با اندازه بدن آنها ارتباط تنگاتنگی دارد، اما انسان این الگو را نقض می‌کند. مغز ما با توجه به اندازه بدن ما بسیار بزرگتر از حد انتظار است.

پژوهشگران اغلب از نسبتی به نام ضریب انسفالیزاسیون(EQ) استفاده می‌کنند تا تصور کنند که مغز یک حیوان در مقایسه با آنچه که با توجه به اندازه بدن آن انتظار می‌رود، چقدر بزرگتر یا کوچکتر است. اگر نسبت توده مغز به بدن انتظارات را برآورده کند، این رقم برابر با ۱ می‌شود.

به عنوان مثال اندازه مغز موش نصف اندازه‌ای است که از بدنش انتظار می‌رود یا مغز انسان بیش از هفت برابر اندازه مورد انتظار آن است.

اگرچه فرگشت، مغز انسان را بزرگ کرده است، اما به طور یکسان این کار را انجام نداده است و برخی از نواحی مغز ما بیش از سایر بخش‌ها بزرگ شده‌اند.

یکی از ناحیه‌های بزرگتر، قشر مغز است که ناحیه‌ای است که برنامه‌ریزی، استدلال، زبان و بسیاری از رفتارهای دیگر را انجام می‌دهد، چیزهایی که انسان در آنها نسبت به سایر موجودات برتری دارد.

نواحی دیگر مانند مخچه(ناحیه‌ای در پشت مغز که پر از سلول‌های عصبی است و به انجام حرکت و برنامه‌ریزی کمک می‌کند) نیز به خوبی گسترش یافته و بزرگ شده است.

قشر پیش‌پیشانی مغز، هم در شامپانزه‌ها و هم در انسان‌ها ساختار مشابهی دارد، اگرچه در مغز انسان دارای ساختار بسیار بیشتری نسبت به مغز شامپانزه‌هاست.

همچنین بین تعداد نورون‌های مغز انسان در مقایسه با سایر حیوانات تفاوت زیادی وجود دارد. به عنوان مثال، مغز انسان حدود ۱۰۰۰ برابر بیشتر از مغز موش و ۱۳.۵ برابر بیشتر از میمون ماکاک است.

اما اندازه مغز و تعداد نورون‌ها همه چیز نیستند. برخی از حیواناتی که مغزشان به گونه‌ای متفاوت از پستانداران به نظر می‌رسد و رشد می‌کند، مانند زاغ‌ها و سایر اعضای خانواده کلاغ‌ها می‌توانند به طرز چشمگیری یاد بگیرند یا به خاطر بسپارند.

چت شروود(Chet Sherwood) انسان‌شناس و عصب‌شناس در دانشگاه جورج واشنگتن می‌گوید: اندازه مغز به تنهایی نمی‌تواند توانایی شناختی انسان را توضیح دهد.

دستور مخصوص

نگاه دقیق به سلول‌های مغز الگوهای جالبی را نشان می‌دهد. طی پنج سال گذشته، تکنیک‌هایی که دانشمندان را قادر می‌سازد تا ژن‌های بیان شده در یک سلول را فهرست‌بندی کنند، انواع مختلفی از سلول‌ها را که مغز را می‌سازند، در سطحی از جزئیات بسیار بالاتر از هر چیزی که قبلاً به دست آمده بود، آشکار کرده‌اند.

سال گذشته گروهی مستقر در مؤسسه علوم مغز آلن در سیاتل واشنگتن، جامع‌ترین اطلس‌های سلولی را در مغز موش و انسان گزارش کردند. محققان به عنوان بخشی از یک تلاش بین‌المللی به نام BRAIN Initiative Cell Census Network(به اختصار BICCN، کل مغز موش را ترسیم کردند و ۵۳۰۰ نوع سلول را پیدا کردند.

اطلس مغز انسان هنوز تمام نشده است، اما تاکنون بیش از ۳۳۰۰ نوع از ۱۰۰ بخش را در مغز شامل می‌شود. محققان انتظار دارند تعداد بیشتری را بیابند.

برخی از ناحیه‌ها دارای انواع سلول‌های متمایزی هستند. به عنوان مثال، قشر بینایی انسان حاوی چندین نوع نورون است که منحصر به آن ناحیه است. اما به طور کلی، انواع سلول‌های خاص انسان، نادر هستند.

تصور کلی هنگام مقایسه انواع سلول‌های مغز انسان با گونه‌های دیگر، مشابهت است.

اد لین(Ed Lein) عصب‌شناس مؤسسه آلن که در تلاش برای فهرست‌بندی سلول‌های مغز انسان، موش و سایر مغزها نقش دارد، می‌گوید: انتظار تفاوت‌های بزرگتری داشتم. معماری سلولی اولیه به ‌طور قابل ‌توجهی حفظ می‌شود تا زمانی که به جزئیات ریزتر برسید.

اغلب نواحی مغز انسان از نظر نسبت انواع سلولی که در آنها ظاهر می‌شوند با پستانداران و موش‌ها متفاوت است.

دو ناحیه قابل مقایسه از قشر مغز انسان و موش را در نظر بگیرید که هر دو اطلاعات شنوایی را پردازش می‌کنند. ناحیه مورد نظر در موش نسبت به نورون‌های بازدارنده که فعالیت را کاهش می‌دهند، دارای نسبت بیشتری از نورون‌های تحریک‌کننده است که سیگنال‌ها را منتشر می‌کنند،. در مقابل، ناحیه انسانی دارای نسبت بسیار بیشتری از سلول‌های غیر عصبی مانند آستروسیت‌ها، الیگودندروسیت‌ها و میکروگلیاها است.

این سلول‌ها از نورون‌ها پشتیبانی می‌کنند و همچنین به هرس و اصلاح اتصالات آنها در طول رشد کمک می‌کنند. نسبت این سلول‌ها به نورون‌ها پنج برابر موش‌ها بود.

نتیجه این تفاوت‌ها هنوز مشخص نیست، اما اطلس‌ها راهی برای مطالعه این سلول‌ها و ژن‌هایی که بیان می‌کنند، همچنین برای درک بهتر عملکرد آنها فراهم می‌کنند.

انواع سلول‌های مشابه نیز می‌توانند در گونه‌های مختلف متفاوت به نظر برسند. این همان نوع نورون(یک سلول هرمی) از قشر مغز موش، شامپانزه و انسان است. مغز موش تعداد کمتری از این سلول‌ها را دارد و در مقایسه با مغز انسان اتصالات و ارتباط کمتری دارد.

حتی در مقایسه با شامپانزه، نورون‌های انسان بلندتر هستند و ارتباطات بیشتری با یکدیگر برقرار می‌کنند. لایه‌های قشری که در آن زندگی می‌کنند نیز ضخیم‌تر از لایه‌های شامپانزه‌هاست.

ایجاد ارتباطات

هیچ نورونی یک جزیره نیست و شبکه‌هایی که آنها تشکیل می‌دهند می‌توانند بخش بزرگی از چیزی باشند که به مغزهای مختلف عملکردها و تخصص‌های متفاوتی می‌دهند.

یک مطالعه، ۱.۶ میلیون ارتباط بین بیش از ۲۰۰۰ سلول مغز را در نمونه‌های مغز موش، میمون‌های ماکاک و انسان که از قشر مغز آنها گرفته شده بود، مقایسه کرد.

نمودار سیم‌کشی مغز انسان یا به عبارتی «کانکتوم»( connectome)، ۲.۵ برابر بیشتر از موش، نورون‌های «پی‌یاخته رابط» داشت که دسته‌ای از سلول‌ها هستند که فعالیت عصبی را کاهش می‌دهند و برانگیختگی را کنترل می‌کنند. این سلول‌ها ۱۰ برابر بیشتر ارتباط بین خود برقرار کردند.

یک گروه تخصصی از پی‌یاخته‌های رابط با ترجیح برای اتصال به سایر نورون‌های هم‌نوع در موش‌ها نادر بودند، اما به بیش از نیمی از جمعیت در انسان‌ها گسترش یافته‌اند. دسته دومی از پی‌یاخته‌های رابط به نام نورون‌های چندقطبی اما به همان میزان گسترش پیدا نکردند.

موریتز هلمشتادتر(Moritz Helmstaedter) سرپرست این مطالعه در موسسه تحقیقات مغز ماکس پلانک در فرانکفورت آلمان می‌گوید، این یافته بسیار شگفت‌انگیز بود. او فکر می‌کند که این شبکه گسترده از پی‌یاخته‌های رابط ممکن است به حل یک مسئله بزرگ در مغز انسان کمک کنند. اینکه نورون‌ها به سرعت عمل می‌کنند، اما افکار و اعمال چند ثانیه طول می‌کشند.

شبکه‌های بزرگتر از پی‌یاخته‌های رابط می‌توانند فعالیت‌های عصبی را طولانی‌تر کنند و به مغز اجازه می‌دهند افکار پیچیده‌تری تولید کند و چیزها را برای مدت طولانی‌تری در ذهن نگه دارد.

این تیم اکنون در حال بررسی بخش‌های بزرگتری از قشر مغز انسان است.

نتایج مطالعه اتصال این گروه توسط دانش ژنتیکی پشتیبانی می‌شود. هنگام مقایسه بیان ژن در میان گونه‌ها، بسیاری از تفاوت‌ها به نحوه ارتباط بین نورون‌ها(سیناپس‌ها) مربوط می‌شوند و به یکدیگر سیگنال می‌دهند.

در یک مطالعه که توسط محققان موسسه آلن انجام شد، چند صد ژن الگوهای بیان منحصر به فرد را برای انسان نشان دادند. اغلب آنها مربوط به عملکرد مدار مغز بودند که در ساخت سیناپس یا سیگنال‌دهی نقش داشتند و اغلب در سلول‌های غیر عصبی مانند آستروسیت‌ها و میکروگلیاها دیده می‌شوند.

توسعه آهسته

برخی از دانشمندان فکر می‌کنند که یک پدال ترمز کلیدی در مغز انسان فشار داده شده است که می‌تواند بسیاری از تفاوت‌های بین ما و سایر گونه‌ها را توضیح دهد.

مادلین لنکستر(Madeline Lancaster) عصب‌شناس آزمایشگاه بیولوژی مولکولی MRC در کمبریج انگلیس می‌گوید: به هر چیزی که نگاه کنید، در انسان کندتر اتفاق می‌افتد.

سرعت رشد مغز در بین گونه‌ها بسیار متفاوت است، اما در انسان به شکلی باورنکردنی طولانی است. به عنوان مثال، مغز موش تنها در پنج درصد از طول عمر این حیوان به طور کامل توسعه می‌یابد. همچنین مغز میمون‌های ماکاک و شامپانزه‌ها به طور کامل با گذر حدود یک سوم از عمر آنها رشد می‌کند.

این در حالی است که رشد، بلوغ و اصلاح ارتباطات مغز انسان بسیار بیشتر طول می‌کشد و حدود ۳۰ سال یا تقریباً نیمی از عمر متوسط ​​ما به طول می‌انجامد.

این سرعت کند می‌تواند به انسان کمک کند تا نورون‌های بیشتری رشد دهد و تنوع و پیچیدگی بیشتری را تقویت کند. همچنین به مغز زمان بیشتری می‌دهد تا با محیط خود تطبیق یابد.

تحقیقات نشان می‌دهد که در انسان، پیش‌سازهای عصبی(سلول‌هایی که نورون‌ها را به وجود می‌آورند) قبل از اینکه هویت نهایی خود را به دست آورند، مدت بیشتری را در حالتی برزخی سپری می‌کنند. نیایاخته‌ها(یاخته‌های پیش‌ساز) نیز پتانسیل بیشتری دارند. آنها می‌توانند به بیش از یک نوع فراوان نورون تبدیل شوند، در حالی که در جوندگان یک نوع از نیایاخته به یک نوع نورون تبدیل می‌شود.

در اینجا یک جدول زمانی معمولی برای نورون‌های شامپانزه وجود دارد. آنها از نیایاخته‌ها رشد می‌کنند، آکسون‌ها و دندریت‌ها را رشد می‌دهند تا به سلول‌های دیگر برسند، سپس سیناپس‌هایی را برای اتصال به یکدیگر و ارسال سیگنال‌ها ایجاد می‌کنند و در نهایت لایه‌ای از میلین ایجاد می‌کنند که بین نورون‌ها عایق ایجاد می‌کند و به حرکت سیگنال‌ها کمک می‌کند.

همین فرآیند در انسان بیشتر طول می‌کشد و منجر به ایجاد نورون‌هایی می‌شود که دندریت‌های بیشتری رشد می‌دهند که هر کدام دارای اتصالات بیشتری هستند. آکسون‌ها می‌توانند بلندتر از شامپانزه‌ها باشند، زیرا آنها باید مسیر بیشتری را طی کنند و نورون‌های حاصل پیچیده‌تر هستند.

چندین نوع ژن با این کندی و پیچیدگی مرتبط هستند. یکی تکثیر ژنی است که فقط در انسان دیده می‌شود. زمانی که موش‌ها طوری مهندسی شدند که نسخه مشابهی داشته باشند، سیناپس‌های بیشتری رشد کردند و یادگیری آنها بهبود یافت.

مثال دیگر، تغییر در دنباله‌ای است که پروتئینی به نام NOTCH را کد می‌کند که با انبساط قشر مرتبط است. این تغییر به نورون‌های انسانی اجازه می‌دهد زمان بیشتری را روی تکثیر خود بگذرانند که منجر به ایجاد حوضچه بزرگتری از نورون‌های جدید نسبت به نخستی‌های غیر انسانی می‌شود.

الکس پولن(Alex Pollen) ژنتیک‌شناسی که فرگشت مغز انسان را در دانشگاه کالیفرنیا سانفرانسیسکو مطالعه می‌کند، می‌گوید: اگرچه برخی تغییرات در ژن‌ها و سلول‌ها بدون شک ما را به همان چیزی که هستیم، تبدیل می‌کند، اما هنوز برای نتیجه‌گیری زود است. برخی از تغییرات فقط می‌توانند عوارض جانبی سازگاری‌های دیگر باشند. برای مثال، افزایش انواع خاصی از نورون‌ها به طوری که مناطق مغز هنوز هم می‌توانند با گسترش مغز ارتباط برقرار کنند.

توانایی‌های ویژه ما جنبه‌های منفی نیز دارند. شروود می‌گوید که انسان‌ها نسبت به سایر نخستی‌ها دستخوش تغییرات شدیدتری مانند کوچک شدن قشر مغز به دلیل پیری می‌شوند که تا حدی به این دلیل است که ما بسیار طولانی‌تر از قبل زندگی می‌کنیم.

وی می‌گوید، اما به نظر می‌رسد که حتی مغز پیرترین شامپانزه نیز به اندازه مغز انسان با افزایش سن تغییر نمی‌کند.

لنکستر نیز می‌گوید برخی از شرایطی که برای انسان‌ها خاص به نظر می‌رسند، می‌توانند بهایی باشند که ما برای پیچیدگی می‌پردازیم. حتی یک نقص کوچک می‌تواند عواقب چشمگیری داشته باشد.

چیزهای زیادی برای کشف در مورد اینکه مغز ما چگونه ما را ناطق، اجتماعی و باهوش کرده است، وجود دارد. دانشمندان علاقه‌مند به نحوه عملکرد انواع ژن‌ها بر روی نورون‌ها و مغز هستند و اینکه فعالیت عصبی چگونه در طول رشد انسان بر رشد ما تأثیر می‌گذارد. همچنین اینکه چگونه ممکن است بخش‌هایی از مغز به غیر از قشر مغز تغییر کند و مهارت‌های منحصر به‌ فرد ما را در اختیار ما قرار دهد.