بسته شواهد: چگونه فعالیت مغزی، سیم‌کشی فیزیکی نورون‌ها را شکل می‌دهد و ده‌ها سال باور سنتی را زیر و رو می‌کند

برای بیش از یک قرن، استعاره بنیادی علوم اعصاب از علم کامپیوتر وام گرفته شده است: سیم‌کشی فیزیکی مغز سخت‌افزار است و افکار، خاطرات و مهارت‌های ما نرم‌افزاری هستند که روی آن اجرا می‌شوند. تحت این دگم ساختارگرا، آرایش فیزیکی نورون‌ها و سیناپس‌ها – که کانکتوم نامیده می‌شود – به شدت دیکته می‌کند که مغز چه کاری می‌تواند انجام دهد و چه کاری نمی‌تواند.[3]

فرض غالب این بود که اگر سخت‌افزار آسیب دیده، توسعه‌نیافته یا به سادگی فاقد یک اتصال خاص باشد، نرم‌افزار نمی‌تواند اجرا شود. ساختار فیزیکی به عنوان مرز مطلق قابلیت عملکردی در نظر گرفته می‌شد.[3][6]

اما یک مطالعه برجسته که این هفته منتشر شد، این فرض بنیادی را کاملاً وارونه می‌کند. شواهد اکنون نشان می‌دهد که فعالیت عملکردی مغز – همان «نرم‌افزار» – در واقع «سخت‌افزار» فیزیکی را دیکته کرده و می‌سازد، نه برعکس.[1]

این تحقیق که یک تحلیل طولی گسترده بر روی مغز انسان و پستانداران است، اولین اثبات قطعی را ارائه می‌دهد که وقتی شبکه‌های عصبی برای انجام یک کار با هم فعال می‌شوند، به طور فعال دستور ساخت زیرساخت فیزیکی جدیدی را برای پشتیبانی از آن فعالیت خاص صادر می‌کنند.[1][4]

تیم تحریریه فکت‌لن در جمع‌بندی داده‌های جدید اشاره می‌کند: «ما مغز را به صورت وارونه نگاه می‌کردیم. ما فرض می‌کردیم که جاده‌ها تعیین می‌کنند ترافیک کجا می‌تواند برود. اما مشخص شد که ترافیک از میان بیابان حرکت می‌کند و مغز مستقیماً زیر آن یک جاده آسفالت می‌کند.»[6]

شواهد اصلی از ترکیبی بدیع از تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی با وضوح بالا (fMRI) و تصویربرداری پیشرفته تانسور انتشار (DTI) به دست آمده است که در طول یک دوره چند ساله توسط طرح «مغز» (BRAIN Initiative) مؤسسه ملی بهداشت (NIH) ردیابی شده است.[1][4]

محققان گروه‌هایی از بزرگسالان را مشاهده کردند که در حال یادگیری وظایف شناختی و حرکتی بسیار پیچیده و جدید بودند. در ابتدا، فعالیت عملکردی پراکنده و ناکارآمد بود و از هر مسیر ساختاری موجود برای مجبور کردن عمل به وقوع استفاده می‌کرد.[1]

با این حال، در یک بازه زمانی بسیار کوتاه، تنها ۴۰ روز، فعال‌سازی مکرر عملکردی یک آبشار از تغییرات فیزیکی را آغاز کرد. مغز شروع به ایجاد مسیرهای جدید ماده سفید – کابل‌های عایق‌بندی شده‌ای که مناطق دور مغز را به هم متصل می‌کنند – کرد که به طور خاص برای تقاضای عملکردی جدید طراحی شده بودند.[1][2]

داده‌ها نشان می‌دهد که فعالیت عملکردی قبلی، ۷۳ درصد حیرت‌آور از واریانس رشد مسیر ماده سفید بعدی را توضیح می‌دهد. عملکرد، هفته‌ها قبل از ساختار وجود داشته و به عنوان یک طرح معماری دقیق عمل کرده است.[1][5]

مکانیسم بیولوژیکی که این پدیده را هدایت می‌کند، بر میلین‌سازی وابسته به فعالیت متمرکز است. هنگامی که یک مدار عملکردی خاص به طور مکرر فعال می‌شود، فعالیت الکتریکی به سلول‌های گلیال مجاور، به ویژه الیگودندروسیت‌ها، سیگنال می‌دهد تا وارد عمل شوند.[2][8]

این سلول‌ها با پیچیدن آکسون‌های فعال در میلین، که یک ماده چرب است، به تقاضای الکتریکی پاسخ می‌دهند. میلین اتصال را از نظر فیزیکی ضخیم‌تر کرده و سرعت انتقال را به صورت تصاعدی افزایش می‌دهد. فکر به معنای واقعی کلمه پل خود را می‌سازد.[2]

پیامدهای بالینی این تغییر پارادایم، به ویژه برای مغز و اعصاب و توانبخشی، عمیق است. اگر عملکرد ساختار را دیکته کند، مغز ظرفیت بسیار بیشتری برای خودترمیمی نسبت به آنچه قبلاً تصور می‌شد، دارد.[7]

در زمینه سکته مغزی یا آسیب تروماتیک مغزی، دیدگاه سنتی بر این بود که به محض تخریب بافت فیزیکی، عملکرد مرتبط برای همیشه از دست می‌رود، مگر اینکه یک مسیر اضافی از قبل وجود داشته باشد.[3][7]

شواهد جدید نشان می‌دهد که درمان‌های عملکردی تهاجمی و هدفمند – که مغز را مجبور به تلاش مکرر برای انجام عملکرد از دست رفته می‌کنند – می‌توانند مغز را وادار سازند تا مسیرهای فیزیکی کاملاً جدیدی را در اطراف ناحیه آسیب‌دیده بسازد.[7]

مدل‌های محاسباتی که از داده‌های بالینی پشتیبانی می‌کنند، نشان می‌دهند که این انعطاف‌پذیری «عملکرد-اول» محدود به مغز در حال رشد کودکان نیست، بلکه تا اواخر بزرگسالی نیز بسیار فعال باقی می‌ماند.[5]

با این حال، بسته شواهد همچنین حوزه‌های شفافی از عدم قطعیت را برجسته می‌کند. هنوز مشخص نیست که آیا این انعطاف‌پذیری ساختاری به طور یکسان در مورد تمام مناطق مغز صدق می‌کند یا خیر.[8]

در حالی که قشر مغز (کورتکس) تغییرات ساختاری عظیمی را نشان می‌دهد که توسط عملکرد هدایت می‌شوند، ساختارهای عمیق‌تر و قدیمی‌تر مغز مانند ساقه مغز ممکن است همچنان به مدل سنتی «ساختار، عملکرد را دیکته می‌کند» نزدیک‌تر باشند و ثبات را بر سازگاری اولویت دهند.[8]

در نهایت، این کشف درک ما از پتانسیل انسانی را متحول می‌کند. مغز یک ماشین ایستا نیست که با آن متولد شده باشیم؛ بلکه یک چشم‌انداز پویا و زنده است که به طور مستمر توسط همان افکار و اعمالی که ما انتخاب می‌کنیم درگیرشان شویم، به صورت فیزیکی شکل داده می‌شود.[1][6]