چگونه اولین نقشه از مغز حشرات ایجاد شد و چه معنایی برای درک ما از مغز انسان دارد؟

فرارو- تصور کنید سعی می‌کنید در یک شهر ناآشنا حرکت کنید، اما گوشی تلفن هوشمند خود را گم کرده اید. نقشه ندارید و تابلو‌های خیابان به زبان خارجی هستند. این همان چیزی است که دانشمندان علوم اعصاب در مورد مطالعه مغز احساس می‌کنند.

به گزارش فرارو به نقل از کانورسیشن، این شبکه‌ها بر نحوه تفکر، ذخیره خاطرات و تعامل ما با یکدیگر حکمرانی می‌کنند. دانشمندان علوم اعصاب هنوز فناوری لازم برای ترسیم بخش کوچکی از اتصالات درون مغز انسان را ندارند. ما نقشه نداریم.

با این وجود، تیمی بین المللی از دانشمندان در آزمایشگاه بیولوژی مولکولی MRC دانشگاه کمبریج و دانشگاه جانز هاپکینز به پیشرفتی دست یافته اند. ما پیچیده‌ترین مغز را تا به امروز ترسیم کردیم: مغز یک حشره. این مغز از بسیاری جهات شبیه مغز انسان است با دو نیمکره ساختاری شبیه ساقه مغز و نخاعی معادل آن چه ماهیچه‌های حیوان را کنترل می‌کند. درک این مغز ممکن است سرنخ‌های زیادی در مورد نحوه عملکرد مغز انسان به ما بدهد.

امروزه صرفا چند نقشه مغز یا کانکتوم موجود هستند. نقشه‌هایی که وجود دارند برای حیوانات ساده هستند مانند کرم‌ها یا سرپیچ‌های دریایی که چند صد نورون دارند. برای نقشه برداری مغز‌ها به تجهیزات گران قیمتی نیاز دارید مانند میکروسکوپ‌های الکترونی قدرتمند برای تصویربرداری از سیناپس‌های کوچک بین نورون‌ها که هر کدام تقریبا ۱۰ میلیاردم متر هستند. سیناپس‌ها اتصالاتی هستند که در آن نورون‌ها با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. حتی برای مغز‌های ساده بازسازی راه‌های عصبی، سیناپس‌ها و نورون‌ها سال‌ها به طول می‌انجامد.

در مطالعه‌ای که نتیجه آن به تازگی در نشریه ساینس منتشر شد نقشه برداری از مغز لارو مگس میوه (Drosophila melanogaster) با ۳۰۱۶ نورون و بیش از نیم میلیون مکان سیناپسی انجام شد.

این حشرات به طرز شگفت آوری پیچیده هستند. لارو‌های مگس میوه می‌توانند درد را احساس کنند، خاطرات خوب و بد ایجاد کنند و در یک تیم با همسایگان خود برای جستجوی علوفه کار کنند.

اولین چیزی که پژوهش شد آن بود که نورون‌های مگس میوه نه به یک بلکه به چهار روش مختلف با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند.

دانشمندان معتقد بودند راه اصلی ارتباط نورون‌ها با یکدیگر استفاده از کابل آن (آکسون) برای ارسال انتقال دهنده‌های عصبی (پیام رسان‌های شیمیایی) به دندریت یک نورون دیگر است. دندریت‌ها زائده‌هایی هستند که برای دریافت سیگنال از سلول‌های دیگر طراحی شده اند. با این وجود، این تنها برای نیمی از اتصالات در مغز لارو مگس میوه صدق می‌کرد. گاهی اوقات نورون‌های مگس میوه از آکسون به آکسون، دندریت به دندریت یا دندریت به آکسون پیام می‌فرستند.

پژوهشگران از این نوع ارتباطات آگاه بودند، اما اطلاعات کمی در مورد آن یا تعداد آن وجود داشت. تیم انجام کننده پژوهش اخیر از تعداد زیاد ارتباطاتی که تقریبا نیمی از اتصالات مغز را تشکیل می‌داد شوکه شد. ارتباطات به نورون‌ها اجازه دادند به روش‌هایی که پیش‌تر در نظر نمی‌گرفتیم به یکدیگر متصل شوند. برای مثال، با ترکیب چندین نوع اتصال به طور همزمان.

از آنجایی که نورون‌های زیادی وجود دارد دشوار است که مغز را به عنوان یک توده نورون‌های به هم پیوسته در نظر بگیریم. بنابراین، دانشمندان علوم اعصاب با گروه بندی "انواع سلولی" مشابه همه چیز را ساده می‌کنند. هر نورون شکل و نقش منحصر به فردی در مغز دارد که اساسا می‌توان از آن تحت عنوان اثر انگشت آن نورون یاد کرد. با این وجود، در مورد چگونگی تعریف این نوع سلول‌ها اتفاق نظر وجود ندارد.

پژوهشگران در پژوهش تازه انجام شده به طور تصادفی با روش جدیدی برای تجزیه ساختار مغز به ساده‌ترین شکل آن با استفاده از ارتباطات بین نورون‌ها برخورد کردند.

آنان ۹۳ نوع سلول را در سراسر مغز لارو مگس میوه پیدا کردند. نورون‌های درون هر یک از این گروه‌ها اشکال مشابهی و نقش‌های مشابهی در مغز داشتند. برای مثال، اطلاعات بصری را از چشم دریافت می‌کردند.

در مرحله بعد ما بر روی هسته مغز با جزئیات بیش‌تر تمرکز کردیم. ما الگوریتمی ایجاد کردیم که سیگنال‌ها را در سراسر مغز ردیابی می‌کند. دانشمندان فکر می‌کردند نورون‌های مختلف به حواس مختلف اختصاص داده شده اند و این سیگنال‌ها بعدا با هم جمع شدند. با این وجود، با استفاده از الگوریتم خود اغلب نورون‌ها چند وظیفه‌ای تشخیص داده شدند که بسته به نشانه‌های حسی خاصی که لارو مگس میوه تجربه می‌کند نقش‌های مختلفی را انجام می‌دهند. نورون‌هایی که صرفا یک سیگنال حسی را پردازش می‌کردند نادر بودند.

الگوریتم‌ها و مغز‌ها

مغز لارو مگس میوه شباهت‌های شگفت انگیزی با هوش مصنوعی نشان داد. مسیر‌های مغز مانند ResNets (شبکه‌های عصبی مصنوعی که به شبکه‌های عمیق اجازه می‌دهند تا وظایف را بهتر یاد بگیرند) روی هم قرار می‌گرفتند و به آن اجازه می‌داد تا قدرت بیش تری داشته باشد. بسیاری از مسیر‌های مغزی حاوی حلقه بودند. این امر به ویژه در مرکز یادگیری و حافظه نشان داده شد که شاید مانند یک شبکه عصبی مکرر (شبکه‌های عصبی مصنوعی با اتصالات حلقه ای) عمل می‌کند.

با این وجود، حتی مغز‌های ساده هم می‌توانند بسیاری از وظایف را به خوبی انجام دهند در حالی که هوش مصنوعی صرفا می‌تواند یک کار را به خوبی انجام دهد. به علاوه مغز‌ها بسیار کارآمدتر هستند و انرژی بسیار کمتری نسبت به هوش مصنوعی مصرف می‌کنند.

اگر یک مغز انرژی کافی برای روشن کردن یک لامپ برای حل یک مشکل مصرف کند هوش مصنوعی ممکن است به انرژی مورد نیاز برای ساختن و رانندگی ۵ اتومبیل در طول ۱۹۳۱۲۱ کیلومتر برای کشف همان معما نیاز داشته باشد.

هوش مصنوعی با پیشرفت‌های مانند چت جی پی تی رایج‌تر می‌شود. این فناوری به طور فزاینده‌ای گرسنه انرژی می‌شود و از ظرفیت بالقوه بدتر کردن بحران آب و هوایی نیز برخوردار است. یادگیری این که چگونه مغز می‌تواند مشکلات پیچیده را با حداقل مصرف انرژی حل کند برای کاهش ردپای کربن هوش مصنوعی ضروری است.

مطالعه تازه صورت گرفته نقطه عطفی در درک ساختار‌های مغز است. از آنجایی که مگس‌های میوه ژن‌های بسیاری را با انسان‌ها به اشتراک می‌گذارند نقشه مغزی لارو مگس میوه تازه ایجاد شده ممکن است به دانشمندان کمک کند تا یاد بگیرند که چگونه جهش‌های عامل بیماری سیم کشی مغز را در شرایط عصبی مانند اختلالات طیف اوتیسم و اسکیزوفرنی تغییر می‌دهند. با در دست داشتن نقشه مغز پاسخ به سوالات مربوط به عملکرد و اختلال عملکرد مغز در دسترس است. تنها کاری که باید انجام دهیم این است که به کاوش ادامه دهیم.