قرائن و اشارات (۵۰): ساختار نورونی مغز انسان
ساختار نورونی مغز انسان
علم نوروبيولوژي با رازداري و سلطههاي مافيائي شديدي مواجه است. علت اين امر را در اين نکته بايد جستجو کرد که ادامه اين پژوهشها ممکن است امکان کنترل ذهن انسان را فراهم آورد که منبع قدرت بيکراني براي صاحبان سلطه محسوب ميشود. از اينرو اطلاع از آخرين دست آوردهاي پژوهشي در اين زمينه حتي براي بسياري از متخصصين رشته نيز غير ممکن است. لذا با تحليل اطلاعات موجود کوشش بر آن داريم که اشرافي نسبي به اين مسأله و درجه پيشرفت آن پيدا بکنيم.
تا چندين سال پيش تصور ميکردند که هر سلول عصبي در حکم يک «بيت» حافظه است و از آنجا که تعداد سلولهاي عصبي انسان را در حدود ۱۰۰ ميليارد تخمين زده بودند (و اين تخمين نيز مورد مناقشه بود و هست)، لذا گنجايش حافظه انساني را نيز بر حسب تعداد سلولهاي عصبي در حد ۱۰۰ گيگا بيت تخمين ميزدند. اما از آنجا که هر يک از سلولهاي عصبي به کمک حدود ۱۰۰۰ سيناپس با سلولهاي عصبي ديگر در ارتباط اطلاعاتي قرار دارد، ضمن تحقيقات طولاني به اين نتيجه رسيدند که هر سلول عصبي يا نورون در واقع در حکم يک کامپيوتر است که از طريق صدها سيناپس و با روشهاي الکتريکي و شيميائي با نورونهاي مشابه مبادله اطلاعات ميکند.
نورونها در واقع اکثرا به صورت شبکه موجودند و در مغز و نخاع به وفور يافت ميشوند. برخي از نورونهاي تخصصي وجود دارند مانند «نورونهاي حسي»، که در برابر محرکهاي حسي مانند نور و لامسه و صدا و غيره عکس العمل نشان ميدهند و آن را به مغز منتقل ميکنند. همچنين نورونهاي حرکتي که با دريافت پيغامهائي از مغز و نخاع و انتقال آن به اعضاء موجب انقباضهاي عضلاني در اندامهاي مختلف بدن ميشوند و بالاخره نورونهائي که به صورت شبکه ارتباطي در بخشهاي مختلف دستگاه مرکزي اعصاب فعاليت ميکنند. نورون غير از بدنه اصلي داراي زائدههائي موسوم به «دندريتها» و «آکسونها» است. دندريتها رشتههاي پرشاخهاي هستند که از بدنه اصلي نورون منشعب ميشوند. آکسونها نيز برآمدگيهائي هستند که وظائف خاصي را انجام ميدهند و معمولا هر نورون صرفا داراي يک آکسون است. نورونها در حالت استراحت داراي يک پتانسيل الکتريکي حد اقل (در حدود ۷۰- ميلي ولت) در دوسوي غشاء خود ميباشند و اين پتانسيل در حالت «تحريک» به حدود ۱۰۰+ ميلي ولت ميرسد که اين حالت معمولا «شليک نوروني» ناميده ميشود. شليک نوروني موجب انتقال خبر به نورونهاي ديگر از طريق آکسون و شبکه سيناپسهاست که معمولا حالت «ديجيتال» دارد، يعني اين تحريک يا به طور کامل به نوروني ديگر منتقل ميشود و يا اصلا نميشود. يونهاي سديم و پتاسيم با تشکيل نوعي «پمپ يوني» در فعاليت الکتريکي نورونها نقش اصلي را دارند، به اين دليل تعادل سديم و پتاسيم در بدن از شاخصهاي اصلي سلامت ارگانيزم محسوب ميشود.
سلولهاي عصبي کودک ممکن است تا مدتي قدرت توليد مثل و تکثير را داشته باشند، اما سلولهاي عصبي افراد بزرگسال معمولا خاصيت تکثير ندارند و در صورت از بين رفتن، جايگزين نميشوند. اندازه مغز کودک نوزاد با فرد بزرگسال تفاوت چنداني ندارد، بدين معني که انسان کم و بيش با سلولهاي عصبي مادام العمر خود متولد ميشود.
ساختار عمومي نورون
سلول زنده به طور اعم و سلول عصبي به طور اخص از پيچيدگي و آلگوريتم گستردهاي برخوردار است که به جرأت ميتوان گفت که درجه پيچيدگي آن از يک منظومه شمسي بسيار بالاتر است. تفاوت عمده سلولهاي عادي و سلولهاي عصبي در اين نکته است که سلول عصبي، در وجه عمده، يک پردازشگر اطلاعات است، اما همين پردازشگر اطلاعات نيز نياز به جذب انرژي و دفع مواد زائد و حراست از کد ژنتيک بدن دارد و به طور کلي وظائف سلولهاي عادي را نيز، غير از وظيفه توليد مثل، در مقياس وسيع انجام ميدهد. اما هنوز کسي نتوانسته است گنجايش واقعي حافظه انسان را محاسبه کند، زيرا مکانيزم نهائي براي نگهداري اطلاعات هنوز کاملا شناخته شده نيست، اما امروزه محققين اين رقم را حد اقل ۳ ترابايت (۳۰۰۰ گيگابايت) تخمين ميزنند. فن نويمان دانشمند برجسته آمريکائي- مجارستاني در حوزه رياضيات و نظريه کوانتوم در دهه ۵۰ قرن گذشته اين رقم را ۸/۲ در ده به توان ۲۰ بايت ميدانست که ميليونها برابر بيشتر است. برخيها معتقدند اين حجم گسترده اطلاعات به برکت شيوههاي «فشردهسازي» خاصي در مغز صورت ميگيرد که قادر است حجم اطلاعات را تا يک ميليون برابر کاهش دهد. ابهام در ميزان گنجايش حافظه بيشتر ناشي از اين امر است که هنوز اطلاعات دقيقي در مورد نحوه واقعي نگهداري اطلاعات در مغز وجود ندارد، ولي مسلم است که حدس قديمي بر مبناي «يک نورون در حکم يک بيت» حتما نادرست است، زيرا حتي هر يک از سلولهاي بدن انسان به تنهائي قادر به نگهداري اطلاعات ژنتيک در حجم گستردهاي است، به طوري که همان سلول را به راحتي ميتوان به يک کامپيوتر تشبيه کرد، سلول عصبي که به صورت تخصصي براي پردازش اطلاعات موجوديت يافته است، بايد بتواند از ظرفيت بسيار بالاتري برخوردار باشد. ابهام ديگري که در تخمين ظرفيت اطلاعاتي ذهن وجود دارد، از اين نکته ناشي ميشود که ذهن بعضي فعاليتهاي «غير آلگوريتميک» از خود نشان ميدهد که پيرامون آن سخن خواهيم گفت.
گفتيم که سلول عصبي از طريق شبکه سيناپسهاي خود با سلولهاي عصبي ديگر به روش شيميائي يا الکتريکي مبادله اطلاعات ميکند. يک موج الکتروشيميائي موسوم به «پتانسيل فعاليت« در طول آکسون پيش ميرود. هنگامي که اين موج به محل سيناپس ميرسد، موجب رهاسازي مقداري ماده انتقال دهنده عصبي ميشود که همين ماده با گيرندههاي شيميائي موجود در غشاي سلول متقابل در آن سوي سيناپس پيوند ميخورد. بين سلولهاي دو سوي سيناپس گذرگاهي به ضخامت حدود ۲۰ نانومتر موسوم به «شکاف سيناپتيک« وجود دارد. اين ضخامت کم موجب ميشود که غلظت ماده انتقال دهنده عصبي بتواند به سرعت در آنجا افزايش يا کاهش يابد. در اين هنگام پلاريته الکتريکي غشاي سلول معکوس ميشود و موجب آماده شدن مسيرهائي ميشود که براي يونهاي کلسيوم قابل نفوذ است. يونهاي کلسيوم از غشاي اين سوي سيناپس عبور کرده و موجب تراکم يونهاي کلسيوم در بخش دروني ميشوند. تراکم يونهاي کلسيوم موجب فعال سازي نوعي پروتئينها ميشود که به کيسههاي حاوي ماده انتقال دهنده عصبي متصلند. تحريک پروتئينهاي مذکور موجب ميشود که ماده انتقال دهنده عصبي از کيسهها آزاد شده و در ناحيه «شکاف سيناپتيک» رها شود. بخشي از اين ماده انتقال دهنده عصبي پراکنده ميشود، اما بخشي از آن با ماده گيرنده عصبي سلول متقابل ترکيب ميشود و موجب تغييرات متعددي در آن ميشود که نوعي «فعال سازي» است. اين حادثه مهمترين مرحله انتقال تحريک عصبي از يک سلول به سلول مجاور محسوب ميشود. ماده انتقال دهنده عصبي بعد از فعال سازي گيرنده عصبي سلول مجاور در اثر عوامل حرارتي نهايتا از گيرندههاي مذکور جدا شده و از ناحيه دور ميشود و توسط سلول اين سوي سيناپس جذب مجدد ميشود و براي فعاليت بعدي آماده سازي ميشود. اين عمل آشکارا به فعاليت پيکهاي پيام رسان ميماند که بعد از رساندن پيام خود به نقطه مبدأ مراجعت ميکنند. ظاهر امر اين است که سلول گيرنده پيغامي را از سلول فرستنده دريافت نموده است. دهها سال چنين فکر ميکردند که اين حادثه در حکم آن است که «يک بيت» اطلاعات مبادله شده است، اما پيچيدگي عظيم اين مکانيزم مبادله خبر که همه ساله رسالات متعدد دکترا را به خود اختصاص ميدهد، نشان ميدهد که قضيه به اين سادگي نيست و در اينجا ارتباطات خيلي حساسي جريان دارد.
هر يک از مراحل ياد شده در تشکيل انتقال دهندههاي شيميائي، نگهداري آنها در کيسههاي مربوطه، آزادسازي آنها، رسيدن آنها به سلولهاي گيرنده، شناخته شدن آنها در سلول گيرنده، و غير فعال سازي مجدد ماده انتقال دهنده و غيره از اهميت بالائي برخوردار است و اختلال در هر يک از آنها ممکن است موجب بروز بيماريهائي نظير شيزوفرني، پارکينسون، آلزايمر و امثال آن بشود. گذرگاه سيناپتيک عليرغم ضخامت بسيار کم آن، مکان وقوع مهمترين حوادث تعيين کننده رفتار سيستم اعصاب است. عملکرد اين مکانيزم ميتواند از انواع داروهاي عصبي تأثير بپذيرد که به اشکال متنوع در قابليت مبادلاتي سلولهاي عصبي تأثير ميگذارند. گذرگاه سيناپتيک با ضخامت حدود ۲۰ نانومتر رازهاي نامکشوف زيادي را در خصوص ماهيت موجود زنده در خود پنهان دارد و بسياري از متخصصين علم نوروبيولوژي معتقدند که در همين گذرگاه باريک است که رد پاي جبريت نا گهان ناپديد ميشود، زيرا انتقال پيام تحريک بين سلولهاي مجاور از طريق شکاف سيناپس به کمک انتقال دهندههاي شيميائي ماهيتي کوانتيک دارد.
اگر سيناپس در وضعيت «فعال« باشد، پتانسيل فعاليت ميتواند از اين طرف سيناپس به طرف ديگر آن برسد و سلول مجاور را نيز تحريک نمايد. اما اگر سيناپس در وضعيت فعال نباشد، مقدار تحريک سلولي ممکن است به حد تحريک پذيري سلول مجاور بالغ نشود و در نتيجه سلول مجاور نتواند «شليک» کند. البته هر سلول عصبي در مغز با تعداد زيادي از سلولهاي مجاور ارتباط سيناپتيک دارد. لذا هنگامي که موج تحريک به طور همزمان از تعداد زيادي از سلولها فراميرسند، اين تجمع ممکن است عليرغم ضعيف بودن سيناپسها باعث بروز حالت تحريک سلولي بشود. همچنين يک سلول عصبي ممکن است نوعي انتقال دهنده عصبي را به سلولهاي ديگر بفرستد تا تحريک پذيري آنها را کاهش دهد که «پتانسيل بازدارنده فراسيناپسي» ناميده ميشود. بنا بر اين، رفتار هر سلول عصبي تحت تأثير علائمي است که از سلولهاي متعدد به آن ميرسند و هر يک از آنها از ضريب نفوذ متفاوتي در رفتار آن سلول برخوردار است. بيش از پنجاه نوع انتقال دهنده عصبي شناخته شدهاند که بسياري از آنها وظائف تخصصي دارند.
عناصر عمده دخيل در انتقال عصبي در سيناپسهاي شيميائي. در تصوير فوق دو سلول عصبي مجاور را مشاهده ميکنيم که هر يک داراي يک آکسون و تعدادي دندريت است. در امتداد آکسون در ناحيه بينابيني، ناحيه موسوم به «شکاف سيناپتيک» را مشاهده ميکنيم که در تحليل رفتار دستگاه مرکزي اعصاب از اهميت طراز اولي برخوردار است. تصوير بزرگ شده اين ناحيه در قسمت پائين سمت راست تصوير مشاهده ميشود. کيسههاي حاوي ماده انتقال دهنده عصبي نيز در تصوير نمايان است.
اينها شمهاي از ساختار بيروني سلولهاي عصبي بود. دانش امروزين نوروبيولوژي عمدتا بر اساس مفهوم نورون و ارتباطات شيميائي آن بنا شده است. اما آيا ساختار دروني نورون چگونه است؟ اگر ساختماني را از دور (مثلا از هواپيما) مشاهده کنيم که لولههاي متعددي به آن وارد و از آن خارج شدهاند، و در پشت بام آن نيز يک بشقاب ماهواره نصب شده است و از دودکش آن نيز دود خارج ميشود، آيا نبايد نتيجه گيري کنيم که درون آن ساختمان کارخانهاي وجود دارد و بر اساس برنامه معيني مشغول توليد است؟ ساختار بيروني نورون نشان ميدهد که اين سلول ميخواهد با جهان اطراف خود ارتباطات فعالي داشته باشد، لذا در درون آن ضرورتا بايد حوادثي در شرف وقوع باشد که ايجاد ارتباط با جهان خارج نيز از مقتضيات حوادث دروني آن است. طبيعي است که ابزارهاي لازم براي اکتشاف ساختار دروني سلولهاي عصبي به خوبي فراهم است و ميکروسکوپهاي الکتروني و ساير تجهيزات پيشرفته مهندسي پزشکي دريچه واضحي به دنياي دروني نورونها ميگشايند.
برخي از پژوهشگران اين رشته، معتقدند که فعاليتهاي بيشمار ذهن، در ساختارهاي پيچيدهاي صورت ميگيرد که درون سلول عصبي جاي دارند. اين تفکر انگيزههاي متعددي دارد که يکي از مهمترين آنها مطلبي است که به سهولت نميتوان آن را ناديده گرفت. در موجودات تک سلولي که فاقد هر نوع نورون و سيناپس و امثال آنند، رفتارهائي مشاهده ميشود که شباهت زيادي به پردازش اطلاعات و حتي يادگيري دارد. مثلا موجود تک سلولي موسوم به Paramecium از گروه «مژکداران» را در نظر ميگيريم که معمولا در آبهاي شيرين زندگي ميکند. براي اين که اين سلول در آب به طرف جلو حرکت کند، بايد مژکهاي آن به صورت هماهنگ تحت زاويه معيني به طرف عقب ضربه بزنند که نتيجه آن حرکتي مارپيچي در امتداد محوري نامرئي است. سلول ميتواند ضمنا با ضربات مژکهاي خود به طرف جلو به صورت هماهنگ، در جهت عقب نيز حرکت کند. هنگامي که پارامکيوم به جسم جامدي برخورد ميکند، با حرکت مژکهاي خود به طرف عقب حرکت ميکند. آنگاه ضمن اين که مسير خود را کمي منحرف ميکند، مجددا به طرف جلو حرکت ميکند. اگر مجددا به جسم جامد برخورد کند، اين کار را مرتبا تکرار خواهد کرد تا جسم مذکور را دور بزند. پارامکيوم از ميکروارگانيزمهائي مثل باکتريها، خزهها و مخمرها تغذيه ميکند و نحوه جذب و هضم غذا و توزيع آن در بدنه سلول و دفع مواد زائد مکانيزمهاي ظريفي دارد. آزمايشهاي به عمل آمده در خصوص رفتارهاي يادگيري پارامکيوم حاکي از آنند که اين موجود تک سلولي قادر است ضمن تأثير پذيرفتن از شوکهاي الکتريکي، بين دو نوع سطح درخشندگي محيط تفاوت قائل شود و محيط امن را انتخاب نمايد. ارتباط اين سلولها با سلولهاي همنوع خود از طريق امواج الکترومغناطيسي طي آزمايشهاي دقيقي به اثبات رسيده است. همه محققين اين رشته بر وجود رفتارهاي مذکور قائل هستند. حال پرسيدني است که آيا يک موجود تک سلولي بدون دارا بودن نورون يا اجزاء آن مانند آکسون و سيناپس، چگونه قادر است اين همه پردازش اطلاعات و رفتارهاي سنجيده و حتي قابليت يادگيري را از خود نشان دهد؟ لذا بايد کانونهاي پردازش اطلاعات در مغز انساني را نيز نه صرفا در نورونها و ارتباطات شيميائي آنها، بلکه در ساختارهاي پيچيده درون نورونها جستجو کرد.
موجود تک سلولی موسوم به پارامکيوم که رفتارهای حرکتی و قابليتهای يادگيری آن، پردازش اطلاعات در مقياسی بسيار ريزتر از نورون را مطرح ميکند.
مطلب عجيب عبارت از آن است که حتي اگر مغز را با يک کامپيوتر مقايسه کنيم، مصرف انرژي اين کامپيوتر عليرغم قدرت محاسباتي بسيار بالاي آن در سطحي بسيار نازل و حدود ۲۵ وات (ژول در ثانيه) است که شايد بخش مفيد آن نيز صرفا ۱۰ وات باشد. مغز تقريبا ۲ درصد وزن بدن را تشکيل ميدهد، اما ۲۰ درصد اکسيژن مصرفي بدن را به خود اختصاص ميدهند. اين امر از ديد مهندسي امروز شگفت انگيز است و هنوز در علوم مهندسي کامپيوتر يک روش عملي براي نگهداري و پردازش اين مقدار اطلاعات بالا ضمن مصرف انرژي در چنين سطح پائيني بعيد مينمايد. اگر ميزان مصرف انرژي به اذاي هر «دروازه منطقي» يا gate را بر اساس اين رقم محاسبه کنيم، به فرض وجود ۱۰۰ ميليارد سلول عصبي در مغز و به فرض آن که هر سلول عصبي را در حکم يک دروازه منطقي فرض کنيم، به رقمي در حد ۱۰۰ «پيکووات» (هر پيکو وات برابر يک ميليونيم يک ميليونيم وات) ميرسيم. و اگر در نظر بگيريم که هر سلول عصبي از طريق حدود ۱۰۰۰ سيناپس با سلولهاي ديگر ارتباط اطلاعاتي دارد، به اين نتيجه ميرسيم که مصرف انرژي سيناپسها به عنوان دروازههاي اطلاعاتي (gate) در حد يک دهم پيکو وات است. اين کميت واقعا يک کميت کوانتيک محسوب ميشود و در مرز عدم حتميت مکان و انرژي قرار دارد. دانشمندان ميزان انرژي مصرفي هر سلول بدن انسان را نيز در حد ۱ پيکووات محاسبه کردهاند. در تکنولوژي پيشرفته امروزي کامپيوترها در بهترين صورت سخن از «نانو وات» (يک ميليارديم وات) به اذاي هر دروازه اطلاعاتي ميرود که ۱۰۰۰۰ مرتبه بيشتر از قدرت مصرفي دروازههاي منطقي مفروض مغز يعني سيناپسها است. از اينجا چنين تصوري سر بر ميآورد که مکانيزم نگهداري و پردازش اطلاعات در مغز ممکن است ماهيتي کوانتيک داشته باشد. اگر چنين باشد، علم مغزشناسي بايد در درجه نخست محمل اين نوع اطلاعات در مغز را رديابي کند و ثانيا جايگاه پديدههاي کوانتيک را نيز در آن مشخص نمايد که در اين خصوص سخن خواهيم گفت.
جهان بينی در پرتو علم نوين، بين النهرين گهواره تمدن، قرآن: رستاخيز فرهنگي مشرق زمين، ، هويت و رابطه آن با زندگي فرهنگي و اجتماعي، زبان: انعکاس طرز زندگي و گذشته ملتها، مسیرهای تکوین، طیف گم شده (حقیقت انسان و حقیقت خدا)