مغز برای پردازش اطلاعات به نوعی دستور زبان عصبی نیاز دارد

چرا گاهی در یک لحظه می‌توانیم صدای چند نفر را بشنویم، اما فقط روی صحبت یکی از آن‌ها تمرکز کنیم؟ چرا وقتی کسی ناگهان ناممان را صدا می‌زند، حتی در میان شلوغی به‌سرعت متوجه می‌شویم؟ یا چطور مغز می‌تواند هم‌زمان اطلاعاتی را که از چشم و گوش دریافت می‌کند کنار هم بگذارد و از آن‌ها تصویری منسجم از محیط بسازد؟ پشت این تجربه‌های ساده روزمره، فعالیت هماهنگ میلیاردها سلول عصبی قرار دارد. این سلول‌ها فقط نباید پیام‌های عصبی را ارسال کنند؛ زمان ارسال پیام‌ها و هماهنگی میان آن‌ها نیز اهمیت دارد. در حقیقت، مغز برای اینکه بتواند اطلاعات را به‌درستی پردازش کند، به نظمی نیاز دارد که بخش مهمی از آن با ریتم‌های عصبی شکل می‌گیرد.

آناتک در گفت‌وگو با پروفسور «گیورگی بوژاکی» (Prof. György Buzsáki)، دانشمند و استاد علوم اعصاب هرمان ام. بیگز در «دانشکده پزشکی گراسمن دانشگاه نیویورک» (NYU Grossman School of Medicine)، برنده «جایزه مغز» (The Brain Prize)، عضو انجمن «پیشرفت علم آمریکا» (AAAS) و برنده «جایزه بین‌المللی دنیس گابور» (International Dennis Gabor Award)، به بررسی چگونگی همکاری سلول‌های عصبی برای شکل‌گیری توانایی‌هایی مانند تفکر، یادگیری و تصمیم‌گیری پرداخته است. 

چرا هنوز تعریف دقیقی از مفاهیمی مانند شناخت و تصمیم‌گیری نداریم و نمی‌دانیم مغز دقیقاً چگونه این توانایی‌ها را ایجاد می‌کند؟

از نظر من و احتمالاً از نظر بسیاری از پژوهشگران حوزه علوم اعصاب، یکی از مسائل اساسی، مبهم بودن بسیاری از مفاهیمی است که از آن‌ها استفاده می‌کنیم. وقتی پدیده‌ای را به‌طور کامل درک نمی‌کنیم، اغلب نامی برای آن انتخاب می‌کنیم و بعد طوری با آن برخورد می‌کنیم که انگار نام‌گذاری یک پدیده، همان توضیح دادن آن است. این بیان تا حدی طعنه‌آمیز است، اما چندان هم از واقعیت دور نیست.

اصطلاحاتی مانند «شناخت» (Cognition) بیشتر مفاهیمی کلی و فراگیر هستند تا سازوکار‌هایی دقیق. حتی مفهومی مانند تصمیم‌گیری که به‌طور گسترده مطالعه شده است، هنوز تعریف واحد و کاملاً رضایت‌بخشی ندارد.

بالاخره، کدام فعالیت مغز را می‌توان یافت که به نوعی با تصمیم‌گیری ارتباط نداشته باشد؟ در مقابل، مفاهیمی مانند یادگیری و حافظه تا حدودی تعریف مشخص‌تری دارند، زیرا می‌توان آن‌ها را به تغییرات قابل مشاهده در رفتار و «انعطاف‌پذیری عصبی» (Neural Plasticity) یا توانایی مغز برای تغییر و سازگاری ارتباط داد.

میلیاردها نورون در مغز چگونه با همکاری یکدیگر توانایی‌هایی مانند تفکر، یادگیری و تصمیم‌گیری را به وجود می‌آورند؟

گیورگی بوژاکی: عملکرد مغز حاصل الگو‌های متغیر فعالیت است که در میان تعداد زیادی از سلول‌ها و مدار‌های عصبی توزیع شده‌اند

یکی از راه‌های مفید برای بررسی این پرسش که میلیارد‌ها نورون چگونه عملکرد‌های ذهنی را ایجاد می‌کنند، نگاه کردن به موضوع از دریچه «پویایی جمعیتی نورون‌ها» (Neuronal Population Dynamics) است. عملکرد مغز حاصل فعالیت نورون‌های منفرد و جدا از یکدیگر نیست، بلکه از الگو‌های متغیر فعالیتی شکل می‌گیرد که در میان تعداد زیادی از سلول‌ها و مدار‌های عصبی توزیع شده‌اند. در هر لحظه، ادراک، عمل، حافظه و تفکر در نحوه شکل‌گیری این الگوها، تغییر آن‌ها و ارتباطشان با یکدیگر در طول زمان بازتاب پیدا می‌کنند. از این منظر، شناخت چیزی نیست که در نقطه مشخصی از مغز قرار گرفته باشد، بلکه توصیفی از فرایند‌های گسترده عصبی است که در میان جمعیت‌های نورونی جریان دارند.

بیشتر دانشمندان علوم اعصاب با این دیدگاه کلی موافق‌اند. چالش واقعی، برقراری ارتباط میان این الگو‌های پویای فعالیت مغز و دسته‌بندی‌های مفهومی‌ای است که از گذشته به ارث برده‌ایم؛ اصطلاحاتی مانند شناخت، تصمیم‌گیری، ادراک یا تفکر که اغلب با یکدیگر هم‌پوشانی دارند و مرز‌های مشخصی میان آن‌ها وجود ندارد. در این میان، یادگیری است که به این الگو‌ها معنا می‌بخشد. تجربه از طریق انعطاف‌پذیری عصبی، نحوه تعامل مدار‌های عصبی را تغییر می‌دهد و به این ترتیب، برخی الگو‌های فعالیت می‌توانند تثبیت شوند، دوباره مورد استفاده قرار بگیرند و به موقعیت‌های جدید تعمیم داده شوند.

بنابراین، توانایی‌های پیچیده ذهنی نه به این دلیل شکل می‌گیرند که مغز برای هر عملکرد انتزاعی، بخش‌های مجزایی دارد، بلکه نتیجه پویایی سیستم‌های عصبی و مدار‌های مغزی هستند. الگو‌های فعالیت این مدار‌ها حامل اطلاعات‌اند، ارتباطات میان آن‌ها محدوده و نحوه پردازش اطلاعات را مشخص می‌کند و انعطاف‌پذیری آن‌ها نیز به تجربه اجازه می‌دهد ردپایی ماندگار در مغز بر جای بگذارد. وظیفه علوم اعصاب صرفاً شناسایی نورون‌های فعال نیست، بلکه باید اصولی را کشف کند که بر اساس آن‌ها فعالیت جمعی نورون‌ها به شکل‌گیری تفکر، یادگیری و رفتار هوشمندانه منجر می‌شود. این کار واقعاً چالش‌برانگیز است.

شما از پیشگامان مطالعه ریتم‌های مغزی بوده‌اید. چرا زمان‌بندی و هماهنگی فعالیت نورون‌ها برای نحوه پردازش اطلاعات در مغز اهمیت دارد؟

گیورگی بوژاکی: زمان‌بندی اهمیت اساسی دارد، زیرا مغز صرفاً دستگاهی نیست که تعداد دفعات شلیک نورون‌ها را بشمارد؛ بلکه سیستمی است که به‌شکلی بسیار دقیق به زمان شلیک نورون‌ها نیز حساس است

زمان‌بندی اهمیت اساسی دارد، زیرا مغز صرفاً دستگاهی نیست که تعداد دفعات شلیک نورون‌ها را بشمارد؛ بلکه سیستمی است که به‌شکلی بسیار دقیق به زمان شلیک نورون‌ها نیز حساس است. هماهنگی زمانی فعالیت نورون‌ها به سلول‌ها و نواحی مختلف مغز اجازه می‌دهد با یکدیگر همکاری کنند، اطلاعات را به‌طور مؤثر مبادله کنند و فرایند‌های پردازشی خود را بدون ایجاد اختلال در یکدیگر سازمان‌دهی کنند.

به همین دلیل است که ریتم‌های مغزی اهمیت دارند. «نوسان‌های عصبی» (Neural Oscillations) ساختار زمانی مشخصی به فعالیت نورون‌ها می‌بخشند و بازه‌هایی زمانی ایجاد می‌کنند که در آن‌ها میزان تحریک‌پذیری نورون‌ها بیشتر یا کمتر است. به این ترتیب، ریتم‌ها به سازمان‌دهی زمان ارسال سیگنال‌ها کمک می‌کنند و مشخص می‌کنند ورودی‌ها در چه زمانی بیشترین تأثیر را دارند و ارتباط میان نواحی مختلف مغز در چه شرایطی با احتمال بیشتری موفق خواهد بود. بنابراین، زمان‌بندی مانند چارچوبی هماهنگ‌کننده عمل می‌کند که به مغز امکان می‌دهد مسیر انتقال اطلاعات را تنظیم کند، سیگنال‌های مرتبط را به یکدیگر پیوند دهد، فرایند‌های رقیب را از هم جدا کند و رویداد‌های مختلف را در طول زمان به یکدیگر مرتبط سازد.

زمان‌بندی دقیق از این جهت نیز اهمیت دارد که بسیاری از محاسبات عصبی به توالی‌های مرتب‌شده وابسته‌اند، نه بازنمایی‌های ثابت. ادراک در طول زمان شکل می‌گیرد، اعمال به‌صورت توالی‌هایی سازمان‌دهی می‌شوند و حافظه نیز اغلب به حفظ روابط زمانی میان رویداد‌ها وابسته است. بنابراین، الگو‌های هماهنگ شلیک نورون‌ها می‌توانند نه‌تنها مشخص کنند چه اتفاقی در حال رخ دادن است، بلکه نشان دهند این اتفاق چه زمانی و با چه ترتیبی رخ می‌دهد.

ریتم‌های مغزی چگونه فعالیت نورون‌ها را نظم می‌دهند و به مغز کمک می‌کنند اطلاعات را پردازش کند؟

در سطحی گسترده‌تر، ریتم‌ها ممکن است به مغز اجازه دهند چندین فرایند مختلف را در مقیاس‌های زمانی متفاوت و به‌صورت هم‌زمان مدیریت کند. نوسان‌های سریع می‌توانند پردازش‌های موضعی را سازمان‌دهی کنند، در حالی که ریتم‌های کندتر شبکه‌های بزرگ‌تر را در بازه‌های زمانی طولانی‌تر هماهنگ می‌کنند. مغز از طریق این معماری زمانیِ تو‌در‌تو می‌تواند اطلاعات را در سطوح مختلف سازمان‌دهی کند؛ از مجموعه‌های کوچک سلولی گرفته تا سیستم‌های گسترده‌ای که در نواحی مختلف مغز پراکنده‌اند.

گیورگی بوژاکی: نوسان‌ها صرفاً محصولات جانبی و تزئینی فعالیت مغز نیستند، بلکه بخشی از سازوکاری هستند که مغز از طریق آن اطلاعات را هماهنگ می‌کند. ریتم‌های سریع‌تر می‌توانند به شکل‌گیری گروه‌های هماهنگ و موضعی از نورون‌ها کمک کنند

اگر تکانه‌های عصبی را واحد‌های اصلی زبان مغز در نظر بگیریم، ریتم‌ها چیزی شبیه به دستور زبان آن هستند. شلیک یک نورون به‌تنهایی اطلاعات چندانی در اختیار ما قرار نمی‌دهد. آنچه اهمیت دارد این است که گروه‌هایی از نورون‌ها چه زمانی، با چه ترتیبی و در چه چارچوب زمانی با یکدیگر شلیک می‌کنند. ریتم‌های مغزی به ایجاد همین ساختار زمانی کمک می‌کنند. آن‌ها فرصت‌هایی زمانی به وجود می‌آورند که در آن‌ها احتمال شلیک هم‌زمان برخی نورون‌ها بیشتر می‌شود، فعالیت گروهی از نورون‌های دیگر از هم تفکیک می‌شود و توالی‌های عصبی می‌توانند در قالب الگو‌هایی معنادار سازمان‌دهی شوند.

از این منظر، نوسان‌ها صرفاً محصولات جانبی و تزئینی فعالیت مغز نیستند، بلکه بخشی از سازوکاری هستند که مغز از طریق آن اطلاعات را هماهنگ می‌کند. ریتم‌های سریع‌تر می‌توانند به شکل‌گیری گروه‌های هماهنگ و موضعی از نورون‌ها کمک کنند، در حالی که ریتم‌های کندتر این مجموعه‌ها را در بازه‌های زمانی طولانی‌تر و در شبکه‌های گسترده‌تر سازمان‌دهی می‌کنند. همین ساختاردهی زمانی است که باعث می‌شود فعالیت عصبی چیزی فراتر از شلیک‌های ساده نورونی باشد و بتواند نظم، زمینه و معنای ارتباطی پیدا کند.

ریتم‌های مغزی، چارچوب زمانی لازم را برای «نحو عصبی» (Neuronal Syntax) فراهم می‌کنند؛ یعنی قواعدی که بر اساس آن‌ها تکانه‌های عصبی در قالب توالی‌ها و مجموعه‌های معنادار سازمان‌دهی می‌شوند. در زبان، نحو همان چیزی است که واژه‌ها را به جمله‌هایی معنادار تبدیل می‌کند. در مغز نیز ریتم‌ها به تبدیل تکانه‌های عصبی به مجموعه‌ها و توالی‌های منسجم کمک می‌کنند. آن‌ها قواعد زمانی‌ای را تعیین می‌کنند که مشخص می‌سازند کدام نورون‌ها به یکدیگر تعلق دارند، کدام رویداد‌ها با هم مرتبط‌اند و فعالیت توزیع‌شده در بخش‌های مختلف مغز چگونه می‌تواند در قالب ادراک، حافظه و تفکر یکپارچه شود.

اختلال در ریتم‌های مغزی چه تأثیری بر عملکرد مغز دارد و آیا می‌توان از این ریتم‌ها برای درمان بیماری‌های مغزی استفاده کرد؟

زمان‌بندی و هماهنگی دو عامل بنیادی و مهم هستند. این دو عامل به فعالیت عصبی ساختار، گزینش‌پذیری و معنا می‌بخشند. بدون سازمان‌دهی زمانی، مغز به مجموعه‌ای از شلیک‌های عصبیِ جدا از یکدیگر تبدیل می‌شد. اما با وجود این سازمان‌دهی، جمعیت‌های نورونی می‌توانند مجموعه‌های منسجمی تشکیل دهند، میان نواحی مختلف مغز ارتباط برقرار کنند و الگو‌های پویایی را ایجاد کنند که زیربنای ادراک، حافظه و شناخت هستند.

اختلال در ریتم‌ها می‌تواند به نقص عملکردی منجر شود. در واقع، بسیاری از اختلالات مغزی ممکن است در اصل اختلالاتی در زمان‌بندی فعالیت‌های عصبی باشند. پرسش مهم صرفاً این نیست که فعالیت عصبی بیش از حد زیاد یا کمتر از حد طبیعی است، بلکه باید بررسی کنیم آیا این فعالیت در زمان مناسب، به شیوه درست و در مدار‌های عصبی مرتبط با یکدیگر هماهنگ شده است یا خیر.

این دیدگاه پیامد‌های مهمی برای درمان دارد. چنین رویکردی ما را تشویق می‌کند که بیماری‌ها را از منظر سیستم‌های پویا بررسی کنیم و این احتمال را در نظر بگیریم که مداخلات درمانی، چه دارویی، چه الکتریکی و چه رفتاری، ممکن است تا حدی از طریق بازگرداندن الگو‌های طبیعی‌تر سازمان‌دهی زمانی فعالیت مغز عمل کنند. از این نظر، ریتم‌های مغزی نه‌تنها می‌توانند نشانگر‌هایی از بیماری باشند، بلکه ممکن است دریچه‌ای برای شناخت سازوکار‌های بیماری و حتی هدفی برای مداخلات درمانی فراهم کنند.