دانشمندان چگونه فعالیت مغز را اندازه گیری می کنند؟

مغز دائماً در حال وزوز کردن با فعالیت الکتریکی است. در اینجا نحوه مطالعه دانشمندان سیگنال هایی است که ممکن است روزی به توضیح ماهیت خود آگاهی کمک کند.

چه چیزی باعث ایجاد تجربیات آگاهانه ما می شود؟ مشکل به اصطلاح سخت ، که توسط فیلسوف دیوید چالمرز در سال 1995 رایج شد، می پرسد که چگونه بسترهای عصبی بی جان مغز، تجربیات آگاهانه اول شخص زنده را ایجاد می کنند. به عبارت دیگر، چگونه شلیک ترکیبی نورون‌های ما، جهان ذهنی درونی را که همه ما در اختیار داریم، استخراج می‌کند. 

آنیل ست ، یکی از عصب‌شناسان و محققان برجسته آگاهی در جهان، می‌گوید که دانشمندان به تدریج در حال کار برای اتصال نقاط بین جنبه‌های مختلف هوشیاری و حالت‌های پویای مغز هستند که باعث ایجاد آن‌ها می‌شوند. و از آنجایی که هر توضیحی که دانشمندان برای عملکرد درونی آگاهی (و سایر عملکردهای شناختی) ارائه می دهند با مطالعه فعالیت عصبی به دست می آید، مهم است که بدانیم آنها چگونه داده های مغز را به دست آورده و تجزیه و تحلیل می کنند.

در سطح پایه، الکتریسیته زبان مغز است. به طور مداوم، تکانه های الکتریکی، که به عنوان پتانسیل عمل نیز شناخته می شوند، بین گوش های شما وزوز می کنند. نورون‌های شما و اتصالات سیناپسی که در آن نورون‌ها به هم می‌رسند، در یک حمام شیمیایی – به شکل انتقال‌دهنده‌های عصبی مانند دوپامین – غوطه‌ور می‌شوند که فعالیت الکتریکی سلول‌های همسایه‌شان را واسطه می‌کنند. این اساس تقلیل ارتباطات عصبی است، و تا حدودی مرموز، این تعاملات زیربنای هر فکر، احساس یا عملی است که تا به حال تجربه کرده اید.

اما همانطور که دانشمندان بیشتر در مورد مغز آموخته اند ، متوجه شده اند که فعالیت های مغز در مقیاس بزرگ در عملکرد کلی آن نیز مهم است. مناطق مختلف مغز به دلیل همگام سازی نورون ها به صورت پشت سر هم در فرکانس های مختلف شناخته شده اند. تصور می شود که این نوسانات عصبی یا امواج مغزی ارتباط بین مناطق مختلف مغز را تسهیل می کند. این بدان معناست که دانشمندان برای دست و پنجه نرم کردن با وظیفه درک آگاهی، باید به تمام مقیاس‌های فعالیت مغز، هم در سطح سلولی و هم در این شبکه‌های بزرگ‌تر توجه کنند: اگر ما بیش از حد روی شلیک فردی نورون‌ها تمرکز کنیم، آنگاه ما خطر از دست دادن تصویر بزرگتر را داریم، مانند اشتباه گرفتن یک قطره آب با کل اقیانوس.

نقشه برداری فعالیت عصبی  

یکی از پرکاربردترین روش‌ها برای تولید داده‌ها در مغز در حالی که افراد وظایف شناختی یا رفتاری خاصی را انجام می‌دهند، تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی یا fMRI است. این تکنیک تصویربرداری عصبی غیر تهاجمی، عمدتاً به دلیل سهولت عملی که می‌تواند داده‌ها را تولید کند، برای عصب‌شناسان شناختی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اما fMRI در واقع فعالیت الکتریکی مغز را اندازه گیری نمی کند. بلکه پیامد غیر مستقیم فعالیت عصبی را اندازه گیری می کند. یعنی جایی که خون اکسیژن دار در جریان است.

این لزوما یک مشکل نیست. دماسنج ها به طور مستقیم دما را اندازه گیری نمی کنند – آنها حجم جیوه را در یک لوله شیشه ای اندازه گیری می کنند که به شدت با دما همراه است. هنگامی که کوپلینگ ناقص، پر سر و صدا یا پیچیده باشد، ممکن است مشکلات ایجاد شود. در همین حال، تصور می‌شود که اکسیژن‌رسانی خون، که به عنوان پاسخ هموگلوبین نیز شناخته می‌شود، با رویدادهای سیناپسی خاص که نقش مهمی در ارتباطات عصبی دارند، مرتبط است. 

مانند دوربین دیجیتال یا صفحه نمایش کامپیوتر، اسکن مغز fMRI را می توان در واحدهای تفکیک مکانی تعریف کرد، اما با تصاویر به صورت سه بعدی و نه دو بعدی. این پیکسل های حجمی وکسل نامیده می شوند. در یک اسکن معمولی، یک وکسل ممکن است 3 میلی متر مکعب از بافت را پوشش دهد، حجمی که تقریباً 630000 نورون را حمل می کند.

تعداد کمی از روش‌های اسکن مغز، وضوح فضایی بهتری نسبت به fMRI دارند، و ضبط داخل جمجمه‌ای مانند الکتروکورتیکوگرافی (ECoG) را که می‌تواند فعالیت را از سلول‌های منفرد جدا کند، ممنوع می‌کند. اما این تکنیک‌های تهاجمی، که در آن الکترودها مستقیماً روی مغز قرار می‌گیرند، محدود به مدل‌های حیوانی یا زمینه‌های بالینی خاص هستند که در آن بیماران از شرایطی مانند صرع رنج می‌برند که در تعیین محل تشنج به دقت بالایی نیاز دارد. در مقابل، fMRI تعادل خوبی بین دقت و پوشش ایجاد می کند. 

اسکن FMRI در حین انجام وظایف حافظه کاری
یک اسکن fMRI که در حین انجام وظایف حافظه کاری انجام می شود، که معمولاً فعال شدن قسمت هایی از قشر پیشانی مغز و قشر جداری را نشان می دهد. (اعتبار: دامنه عمومی/ویکی‌مدیا کامانز)

مشکل بزرگ‌تر fMRI این است که اکسیژن‌رسانی خون به مرور زمان کاهش می‌یابد، که تشخیص دقیق لحظات فعالیت را برای دانشمندان علوم اعصاب دشوار می‌کند. تصاویر معمولی fMRI از میانگین فعالیت مغز در طول زمان گرفته می‌شوند، معمولاً فقط چند ثانیه، تا حدودی شبیه یک عکس با نوردهی طولانی. و این می تواند مشکلاتی را ایجاد کند زیرا فرآیندهای عصبی بسیار پویا یا سریع تار می شوند. 

روش‌هایی که مستقیم‌تر فعالیت الکتریکی را اندازه‌گیری می‌کنند، به دانشمندان علوم اعصاب ایده بهتری درباره زمان وقوع رویدادهای عصبی می‌دهند. الکتروانسفالوگرافی یا EEG یکی دیگر از روش های کتاب درسی است که دانشمندان علوم اعصاب اطلاعات مربوط به مغز را جمع آوری می کنند. در حالی که fMRI محل جریان خون اکسیژن‌دار در مغز را اندازه‌گیری می‌کند، EEG شلیک جمعی نورون‌ها را در مناطق مختلف عصبی اندازه‌گیری می‌کند. یکی از نکاتی که در مورد EEG وجود دارد این است که دانستن اینکه دقیقاً کجا فعالیت عصبی اندازه گیری می شود، مشکل است. با این حال، این روش تا حد زیادی مسئول درک ما از نوسانات عصبی، یا شلیک همزمان همزمان نورون ها بوده است. اگر مغز یک استادیوم پر از مردم بود و هر فرد یک نورون بود، یک بخش از عرصه می توانست از طریق فعالیت های هماهنگ، مانند کف زدن، با دیگری ارتباط برقرار کند. 

یکی دیگر از روش‌های رایج برای دانشمندان علوم اعصاب برای جمع‌آوری داده‌های مغز، مغناطیسی مغزی (MEG) است. MEG به جای اندازه‌گیری پتانسیل‌های الکتریکی، میدان‌های مغناطیسی کوچکی را که توسط فعالیت الکتریکی مغز ایجاد می‌شود، اندازه‌گیری می‌کند. این تکنیک شامل یک کلاه ایمنی با حدود 300 مغناطیس سنج بسیار حساس است که میدان های مغناطیسی بسیار کوچک تولید شده توسط مغز را تشخیص می دهد. چنین خوانش‌های عصبی باید در اتاق‌های محافظ انجام شود که میدان‌های مغناطیسی اجسام بیرونی – حتی میدان مغناطیسی زمین را مسدود می‌کنند. 

فناوری MEG کنونی محدود به تشخیص میدان های مغناطیسی در قشر مغز است، قسمتی از مغز که نزدیک ترین قسمت به پوست سر است. اما هنوز چیزهای جالب زیادی در آنجا اتفاق می افتد، به خصوص اگر در حال بررسی جنبه های تجربه آگاهانه هستید، همانطور که قشر مغز تصور می شود .به شدت درگیر احساسات، زبان و حافظه باشد. میدان‌های مغناطیسی ایجاد شده در نواحی عمیق‌تر مغز قبل از رسیدن به سطح سر، جایی که می‌توان آن‌ها را برداشت، از بین می‌رود. تصور می شود که میدان های مغناطیسی اندازه گیری شده در MEG نتیجه فعالیت ترکیبی حداقل 50000 نورون است که به طور همزمان با نورون های همسایه خود ارتباط برقرار می کنند. اگر فعالیت در قشر مغز موضوع بررسی باشد، MEG بهترین داده ها را در مورد زمان انجام فعالیت و محل وقوع فعالیت در مقایسه با سایر تکنیک ها ارائه می دهد. 

حفاری در داده ها 

هنگامی که دانشمندان داده‌ها را از طریق این فناوری‌های مختلف جمع‌آوری کردند، تصمیم به تجزیه و تحلیل این داده‌ها به عهده آنهاست. یک نتیجه آشنا از تکنیک های تصویربرداری مغز مانند fMRI گرفتن تصویری از مناطق مختلف با روشنایی است که نشان دهنده افزایش فعالیت در آن مناطق است. 

به طور خلاصه، آنچه این تصاویر نشان می دهد، مشروط به تصمیمات تحلیلی است که توسط دانشمندان گرفته می شود و انواع مختلف تجزیه و تحلیل و اندازه نمونه می تواند نتایج بسیار متفاوتی را به همراه داشته باشد. در مطالعه‌ای در سال 2013 ، به جای تکیه بر آستانه‌ها برای تعیین فعالیت و نویز، محققان تعیین کردند که هر چیزی که در چندین موضوع یافت می‌شود می‌تواند یک سیگنال در نظر گرفته شود و هر چیزی که وجود نداشته باشد نویز محسوب می‌شود. آن‌ها همان شبکه‌هایی را یافتند که اغلب در تحقیقات دیگر به آنها اشاره می‌شود، اما همچنین دریافتند که این شبکه‌ها در مناطقی به نام هاب همپوشانی دارند که به طور متراکمی به هم متصل هستند و مسئول هماهنگی فعالیت‌ها در سراسر مغز هستند. 

در نهایت، انواع نتیجه‌گیری‌هایی که می‌توانیم در مورد عملکرد مغز بگیریم، و اینکه چگونه آنها منجر به تجربیات آگاهانه می‌شوند، با انواع داده‌هایی که فناوری‌های ما می‌توانند ارائه کنند محدود می‌شوند – و همچنین فرضیاتی که در هنگام تجزیه و تحلیل آن داده‌ها به کار می‌بریم. . 

حدس زدن در مورد اینکه چه نوع پویایی ممکن است در مغز آشکار شود که فناوری‌های کنونی ما قادر به دسترسی به آنها نیستند، شگفت‌انگیز است. دانشمندان علوم اعصاب هنوز در حال توسعه تکنیک های جدید برای درک فعل و انفعالات عصبی شیمیایی پیچیده ای هستند که بین نورون ها اتفاق می افتد و همچنین تلاش می کنند تا ارتباط بین مناطق مختلف مغز را ترسیم کنند.

رابرت میسون، عصب‌شناس در دانشگاه کارنگی ملون، که دو فناوری نسبتاً جدید در این زمینه را توصیف می‌کند، می‌گوید: «در زمینه ما، تکنیک‌هایی برای جمع‌آوری اطلاعات در مورد ویژگی‌های دینامیکی مغز دائما در حال توسعه یا انطباق هستند.» ) و tDCS (تحریک جریان مستقیم ترانس کرانیال). میسون می‌گوید که فرض اصلی پشت این تکنیک‌ها، تحریک مغز برای تعیین اینکه چگونه بر رفتار و حالات مغزی در حال اندازه‌گیری تأثیر می‌گذارد، با پتانسیل ترسیم ارتباطات بین نواحی مختلف قشر مغز است. او می‌افزاید: «مانند سایر تکنیک‌های اندازه‌گیری مغز، مفروضات اساسی بسیاری وجود دارد و آن‌قدر که در ابتدا به نظر می‌رسد ساده نیست». 

تکنیک‌های جدیدی مانند TMS و tDCS می‌توانند روزی به دانشمندان کمک کنند تا به سؤالات پیچیده در مورد ماهیت آگاهی پاسخ دهند. ست معتقد است که مشکل سخت به آرامی حل خواهد شد، زیرا ما پل هایی را بین ویژگی های احساس انسان بودن و فرآیندهای عصبی مربوط به آنها ایجاد می کنیم. 

با این حال، این احتمال نیز وجود دارد که تکنیک های ما نتوانند تصویر کاملی از آنچه در درون ما می گذرد برای پاسخ قطعی به هر سوالی در مورد آگاهی به ما ارائه دهند. پیچیدگی تقریباً غیرقابل درک مغز ما به این معنی است که مطمئناً ویژگی های دینامیکی در حال آشکار شدن است که دانشمندان کاملاً از آن بی اطلاع هستند. علاوه بر این، ما حتی ممکن است چیزی را در داده هایی که قبلاً در اختیار داریم از دست بدهیم. با این حال، غیرقابل درک نیست که اسرار مغز، که به یکی از بزرگترین رازهای همه آنها کمک می کند، روزی بهتر درک شوند. 

شما هم مقاله بنویسید / برای اینکه نوسیده محتوای تخصصی و تجربیات خود باشید، لطفا کنید.

مقالات مرتبط

نحوه عملکرد FMRI

تصویربرداری رزونانس مغناطیسی کاربردی تکنیکی برای اندازه گیری فعالیت مغز است، اما چگونه کار می کند؟   FMRI چیست؟ تصویربرداری رزونانس مغناطیسی عملکردی یا FMRI، با…

پاسخ‌ها