پروژه

گشودن جعبه سیاه مغز

گشودن جعبه سیاه مغز

 

مقدمه

ما در دهه اخیر بیشتر از تمامی طول تاریخ در مورد مغز و نحوه عملکرد آن مطلب آموخته ایم. چه چیزی به ور کلی مسؤول این انفجار است؟ قسمت اعظم این پاسخ در فنّاوری پیشرفته است. سال ها پیش ، تنها راه برای مطالعه روی مغز ، روش برش از مغز بود. و اگر چه مطالعه مغز بعد مرگ ، حجم وسیعس از اطلاعات را در اختیار ما قرار می داد؛ برای مثال، مشخص کردن مناطقی که ما را قادر به تکلم و فهم گفتار می سازند. اما این مطالعه برای افزایش فهم ما از نحوه پردازش و ذخیره اطلاعات یا مشکل بعضی دانش آموزان خاص در خواندن ، کمک زیادی نمی کرد. امروزه، فنون تصویر برداری به ما این امکان را می دهند تا به مناطق مشخصی از مغز که یک انسان هنگام یاد آوری یک اسم در مقابل یک فعل یا هنگام گوش کردن به موسیقی در مقابل ساختن یک آهنگ به کار می برد را ببینیم. ما می توانیم دقیقا نگاهی به داخل مغز بیندازیم و ببینیم هنگامی که شخص درگیر فعالیت های ذهنی است کدام مناطق فعالتر هستند.

تاریخچة تصویر برداری از مغز روش هایی را در بر می گیرد که اگر چه قدیمی و ابتدایی هستند، امّا امروزه هنوز به کار می روند. همان گونه که گفته شد ، اوّلین روش تکه برداری است که از زمان لئوناردو داوینچی تا به امروز استفاده شده است و هنوز هم مفید است؛ برای مثال؛ دانشمندان با مطالعة ببافت مغزی افرادی که بیماری آلزایمر مرده اند، نکات زیادی در مورد علت بیماری آلزایمر فرا گرفته اند. دانشمندان همچنین با مطالعة افرادی که جراحت ، سکته یا آسیب های مغزی داشته اند به خوبی رابطة بین ساختار و عملکرد قسمت های مختلف مغز را شناخته اند.

برای مدت ها زیادی نیز روی مغز حیوانات مطالعاتی انجام شده است تا درک ما از نحوة کارکرد مغز افزایش یابد. این کار ممکن است،؛ چون، مغز تمامی پستانداران به گونه ای مشابه عمل می کند. اگر چه بسیاری از روش های استفاده شده بر روی حیوانات در مورد انسان ها نمی تواند مورد استفاده قرار گیرد، امّا بعد ها خواهید دید که این مطالعات اغلب برای افزایش دانش ما از نحوة کارکرد مغز انسان مفید بوده اند.

فنون عکسبرداری از مغز

اشعة ایکس

روش های تصویر برداری عصر الکترونیک کنونی با ساخت اشعة ایکس که در سال 1895 کشف شد، آغاز شد. اشعة ایکس امواج الکترو مغناطیسی با فرکانس بالا هستند که از اجسام غیر فلزی به راحتی عبور می کنند. وقتی امواج از اجسام عبور می کنند، اتم های جسم مورد آزمایش قسمتی از تشعشعات را جذب می کنند و قسمتی از امواج جذب نشده به یک صفحة عکاسی بر خورد کرده و آن را نور می دهند. هر چه اجسام متراکم تر باشند، روی صفحة عکاسی روشنتر هستند؛ در حالی که اجسام با تراکم کمتر سیاهتر دیده می شوند. اگر چه این روش برای تشخیص شکستگی استخوان ( یا مشاهدة اجناسی که شما در فرودگاه حمل می کنید) خوب کار می کند، امّا این روش برای به تصویر کشیدن مغز و دیگر اعضای بدن که قسمت بیشتر آنها از بافتی نرم، که از لحاظ

اختلاف کمی در نقاط مختلف دارند، تشکیل شده اند فایدة زیادی ندارد.

تصاویر رایانه ای برشی از مغز(CAT)

در اوایل دهة 1970 روشی ابداع شد تا درجه بندی سایه های خاکستری از مغز را از حدود 25 درجة نرمال اشعة ایکس به 200 برساند. این روش به عکسبرداری رایانه ای برشی از مغز(CAT) موسوم است. این روش از فنّاوری اشعة ایکس استفده می کند، اما تصاویر دو بعدی را در مجموعه ای از برش های سه بعدی ترکیب می کند. تصویر حاصل از عکسبرداری (CAT) مانند اشعة ایکس خاکستری هستندبا این تفاوت که تصاویری که از مغز ارائه می دهند بسیار واضحتر ودقیق تر هستند.عصب شناسان و جراحان مغز هر روزه از این تصاویر استفاده می کنند تا محل تومورها را پیدا کنند و حجم تومورها و ضایعات یا آسیب های مغزی را مشخص کنند.

تصاویر اشعة ایکس و CAT هر قدر هم که پیچیده و مفید باشند، باز نمی توانند عملکرد مغز را نشان دهند؛ یعنی همان چیزی که هدف اولیة افرادی از ماست- کسانی که شغلشان شناخت فرایند یادگیری است.

 

مشاهدة مصرف انرژی مغز

ما برای این که بفهمیم برخی از روش های عکسبرداری جدید چگونه کار می کنند باید کمی اطلاعات اولیه در مورد استفادة انرژی توسط مغز داشته باشیم. مغز ما حریص ترین عضو بدن ماست.مغزی که در حال استراحت است، ده برابر بیشتر از بقیة بدن اکسیژن و گلوکز مصرف می کند،؛ بنابراین اگر چه مغز 5/2 در صد از وزن بدن را تشکیل می دهد، امّا 20 درصد از انرژی بدن را مصرف می کند.

منابع اصلی انرژی برای مغز، اکسیژن و گلوکزهستند که یک کربوهیدات ساده است. وقتی بخشهای مشخصی از مغز فعال هستند، سلول های آن بخش ها نیاز بیشتری است. وقتی بخش های مشخصی از مغز فعال هستند، سلول های آن بخش ها نیاز بیشتری به اکسیژن و گلوکز دارند. دانشمندان دریافتند که اگر بتوانند حرکت و مصرف هر یک ازاین مواد را در مغز ردیابی کنند، آن گاه قادر خواهند بود که بگویند کدام قسمت ها بیشترین فعالیت را دارند و بنابر این کدام قسمت ها مسؤول انجام یک عمل خاص هستند.

حدود سال 1973 دانشمندان شروع به ساخت تجهیزاتی کردند که بتوانند تصاویری از مغز را با اندازه گیری پرتو های منتشر شده به هنگام استفادة مغز از اکسیژن و گلوکز ایجاد کنند. عکسبر داری برشی از پوزیترون (الکترون مثبت) منتشر شده (pet) و عکسبرداری طنین مغناطیسی (MRI) ، دو روش به جامانده از روش های عکسبرداری از مغز هستند.

تصاویر برشی از پوزیترون منتشر شده ( PET)

روش عکسبرداری PET یکی از مهیج  ترین پیشرفت ها در عکسبرداری از مغز است. این روش به دانشمندان امکان می دهد تا از مناطق کالبد شناختی مختلف مغزی که هنگام انجام کارهای مختلف ذهنی توسط یک فر فعال میشوند عکسبرداری کند. مقدار کمی گلوکز رادیداکتیو به بدن شخص تزریق میشود و خون ، گلوکز رادیواکتیو را به مغز می برد. شخص در یک دستگاه تصویر برداری  PET قرار داده می شود و از او می خواهند که در یک سری فعالیت های ذهنی مانند: شنیدن، گفتن یا ساختن کلمات شرکت کند. به شخص یک اسم می دهند و از او می خواهند فعل مرتبط با آن را بسازد. مناطقی از مغز که مسؤول انجام این فعالیت های مختلف هستند بیشتر از مناطق دیگر از گلوکز رادیواکتیو استفاده می کنند. وقتی این اتفاق می افتد، مادة رادیواکتیو ذرات ضد ماده ای به نام پوزیترون را منتشر می کنند و این پوزیترون ها با الکترون های مغز بر خورد کرده اشعة گاما تولید می کنند.

این اشعه ها گاما از میان جمجمه حرکت می کنند و توسط گیرنده های خارج از سر ردیابی می کنند.

یک رایانه نیز با استفاده از این اطلاعات تصاویر رنگی را می سازد. مناطقی که بیشترین مصرف گلوکز را دارند و بنابراین بیشترین فعالیت را دارند به رنگ سفید، قرمز و زرد می آین و مناطقی که گلوکز کمتری مصرف کرده اند به رنگ سبز، آبی و بنفش در می آیند.

روش عکسبرداری PET نقایصی نیز دارد؛ اوّل این که این روش نیاز به یک ردیاب رادیواکتیو دارد. هر شخصمی توتند یک جلسه عکسبرداری (اغللب 12 تصویر) در سال داشته باشد.

دوم این که نورون ها در هزارم ثانیه عمل می کنند، امّا برای گرفتن اطلاعات لازم برای ساخت یک تصویر با روش PET حدود 40 ثانیه زمان لازم است؛ بنابراین ، این که هر منطقه چه مدت زمانی فعال می ماند و نیز پیامدهای فعال سازی شبکة عصبی، با این روش به دست نمی آید . سوم این که اگر چه یک عکس PET تصویری عالی از فعالیت کلی مغز می دهد، امّا منطقة خاصی که در آن یک فعالیت اتفاق می افتد را نشان نمی دهد.

روش عکسبرداری طنین مغناطیسی کاربردی(FMRI)

این روش (FMRI) یکی از جدید ترین روش های تصویر برداری از مغز است که بعضی از نقایص روش PETرا بر طرف کرده است. برای این که با نحوة کار این روش آشنا شویم باید ابتدا نگاهی به روش MRI اولیّه بیندازیم. بخش زیادی از بدن انسان آب است که از مولکول های قطبی شدة مغناطیسی ساخته شده است. روش  MRI  از این علمی استفاده می کند که اتم های هیدروژن موجود در آب بدن می توانند در صورت قرار گرفتن در یک میدان مغناطیسی قوی، مانند آهنرباهای کوچک عمل می کند. یک دسته از امواج رادیویی که از دستگاه عکسبرداری MRI پرتاب می شوند، مولکول های آب درون بدن را به ارتشاعات در می آورند و مولکول ها نیز علامات رادیویی خود را منتشر می کنند. این امواج توسط گیرنده هایی دنبال می شوند و اطلاعات توسط یک رایانه کنار هم قرار می گیرد و به شکل تصویر در می آید . عکسبرداری از بخش های مختلف توسط این روش، جزئیات بسیار دقیق تری را در مقایسه روش CAT در اختیار ما می گذارد؛ زیرا شفافیت فضایی این نوع عکسبرداری به مراتب بهتر است. در تحقیقات مغزی از  MRI بیشتر برای پیدا کردن تومورها و آسیب ها یا تشخیص دیگر مناطق مشکل دار استفاده می شود.

هدف اولیة روش FMRI نه تنها نمایش دادن ساختار های مغز بلکه فعالیت عصبی است. روش عکسبرداری  FMRI که اولین بار در سال 1986 در امریکا استفاده شد در طول چند سال اخیر بسیار گسترش پیدا کرده است. دلیل عمدة آن این است که دستگاه های عکسبرداری  FMRI به وفور یافت می شوند و اغز طرفی ، این دستگاه ها از دستگاه های عکسبرداری PET بسیار ارزانتر هستند.

FMRI خیلی شبیه به MRI استاندارد کار می کند. از فردی که روی او آزمایش می شود خواسته می شود که در فعالیتی مثل زدن انمگشتان روی یک سطح یا شنیدن یک صدا شرکت کند. بخش هایی از مغز که مسؤول این فعالیت ها هستند نورون های خاصی را وادار به شلیک می کنند. این تحریکات عصبی نیازمند انرژی هستند، بنا براین ، خون بیشتری به نواحی جریان می یابد. اکسیژن موجود در خون میدان مغناطیسی را عوض می کند به طرزی که علامت های رادیویی منتشر شده متراکم می گردند.

دستگاه عکسبرداری FMRI این تغییرات را از لحاظ تراکم، دنبال و اندازه گیری می کند و یک تصویر رایانه ای می سازد. ا کم کردن این تصویر از تصویر مغز در حال استراحت ، رایانه یک آهنگ  هستند را می سازد. دستگاه عکسبرداری  مجموعة تندی از تصاویر به وجود می آورد که منجر به نوعی تصویر متحرک از فعالیت مغز می شود.

 



JavaScript Codes


Javascripts