نوروساینس چیست؟

اگر مغز انسان را همچون هزارتویی پر پیچ و خم تصور کنید که در آن مسیرهای عصبی از دالان‌های شناخت و ادراک و احساسات گذر می‌کنند، در قلب این هزارتو، جوهره‌ علوم اعصاب قرار دارد. نوروساینس یک علم چندرشته‌ای است که شامل زمینه‌های زیست‌شناسی، روان‌شناسی، شیمی، و فیزیک می‌شود. این علم به مطالعه ساختار، عملکرد و اتصالات نورون‌ها، فرایندهای بیوشیمیایی عصبی و زیرساخت‌های عصبی رفتار و شناخت می‌پردازد.

در دنیای پژوهش، علوم اعصاب سعی در پاسخ به سوالات بنیادی درباره ماهیت آگاهی، حافظه، یادگیری و تصمیم گیری دارد. از طریق تکنیک‌های پیشرفته مانند تصویربرداری عصبی، الکتروفیزیولوژی، و ژنتیک مولکولی، محققان سعی در رمزگشایی مکانیسم‌های عصبی در عملکرد مغز نرمال و تغییرات پاتولوژیک مرتبط با اختلالات عصبی و روانی دارند. می‌توان اینگونه بیان کرد که علوم اعصاب به مثابه یک فانوس نور در جستجوی درک از پایه‌ی بیولوژیکی تجربه‌ی انسانی خدمت می‌کند و تعبیری عمیق از روند داخلی ذهن و پیچیدگی‌های شرایط انسانی ارائه می‌دهد.

نگاهی بر تاریخچه نوروساینس

در سالنامه تحقیقات علمی، تاریخ علوم اعصاب به عنوان زمینی پر از کاوش های بی‌وقفه، و اکتشافات در حال تغییر پارادایم شناخته می‌شود که ریشه‌های آن به مشارکت فرهنگ‌ها و رشته‌های مختلف باز می‌گردد. در اینجا گذاری کوتاه بر نقاط عطف اصلی در تاریخ علوم اعصاب می‌اندازیم.

دوره باستان (شروع تمدن)

تمدن‌های باستانی مانند مصریان، یونانی‌ها، هندی‌ها و چینی‌ها گمانه زنی‌های اولیه‌ای در مورد مغز و سیستم عصبی انجام دادند. بقراط، پزشک یونانی، که اغلب به عنوان پدر طب غربی شناخته می‌شود، پیشنهاد کرد که مغز نقش اصلی را در کنترل عملکردهای بدن ایفا می‌کند. او حدس زد که مغز جایگاه هوش و آگاهی‌ است و مناطق مختلفی دارد که مسئول عملکردهای شناختی و حرکتی هستند. به عنوان مثال، او پیشنهاد کرد که مخ (cerebrum)، بزرگترین بخش مغز، با عملکردهای ذهنی بالاتر مرتبط است، در حالی که مخچه (cerebellum) به هماهنگی و تعادل کمک می‌کند. مشاهدات بقراط زمینه را برای درک سازمان ساختاری مغز و نقش آن در اداره رفتار انسان فراهم کرد.
جالینوس، یک پزشک برجسته در روم باستان، نظریه‌های بقراط را گسترش داد و مطالعات تشریحی گسترده‌ای را برای روشن‌تر کردن عملکرد مغز انجام داد. او پیشنهاد کرد که بطن‌ها، حفره‌های پر از مایع در مغز، نقش مهمی در فرآیندهای شناختی و احساسات بازی می‌کنند. تئوری جالینوس بیان کرد که بطن‌ها به عنوان مخزن پنومای روانی عمل می‌کنند؛ روحی حیاتی که بر فعالیت های ذهنی تأثیر می گذارد (اطلاعات بیشتر در این مورد در Rocca. 1997). توصیفات و نظریه های آناتومیک جالینوس به طور قابل توجهی بر درک قرون وسطی و رنسانس از مغز تأثیر گذاشت و پایه و اساس پیشرفت های بعدی در علوم اعصاب را ایجاد کرد.

رنسانس و اوایل دوره مدرن

در دوران رنسانس، توجه به آناتومی و فیزیولوژی انسان تجدید حیاتی شد. چهره‌هایی مانند لئوناردو داوینچی طرح‌های تشریحی دقیقی از مغز و سیستم عصبی کشیدند. اختراع میکروسکوپ در قرن هفدهم، امکان مطالعات جزئی‌تر از ساختار مغز را فراهم کرد و منجر به اکتشافات مهم دانشمندانی مانند توماس ویلیس و مارچلو مالپیگی شد.

قرن نوزدهم

این قرن شاهد پیشرفت‌های قابل توجهی در علوم اعصاب بود، به ویژه در درک رابطه بین ساختار و عملکرد مغز (Brain structure and function) از آنجایی اهمیت دارد که اطلاعاتی که از ساختار مغز به دست می‌آید، به ما کمک می‌کند تا عملکرد و وظایف مغز را بهتر درک کنیم. به عنوان مثال، با مشاهده و مطالعه ساختار میکروسکوپی سلول‌های مغز، می‌توان به روش‌هایی برای شناخت و تشخیص بیماری‌های مغزی مانند آلزایمر دست یافت). کار سانتیاگو رامون وکاخال روی نظریه نورون‌ها و ساختار میکروسکوپی مغز پایه و اساس نوروساینس مدرن را بنا نهاد. توسعه تکنیک‌هایی مانند رنگ آمیزی سلول‌ها، دانشمندان را قادر ساخت تا جزئیات پیچیده سلول های مغز را تجسم و مطالعه کنند.

قرن ۲۰

قرن بیستم، رشد تصاعدی خود را مدیون پیشرفت در روش‌شناسی است. تحقیقات پیشگام توسط دانشمندانی مانند وایلدر پنفیلد، اریک کندل و برندا میلنر به دانش ما در مورد سازماندهی مغز، یادگیری و حافظه کمک کرد. مطالعات پیشگام پنفیلد در جراحی مغز و اعصاب، به‌ویژه آزمایش‌های نقشه‌برداری قشر مغز، بینش‌های بی‌سابقه‌ای را در مورد محلی‌سازی عملکردهای خاص در ساختار پیچیده مغز ارائه کرد. به همین ترتیب، تحقیقات کندل در مورد مکانیسم‌های سلولی یادگیری و حافظه، به‌ویژه مطالعات او در مورد پلاستیسیته سیناپسی در آپلیزیا ، درک ما از شکل‌پذیری عصبی و شکل‌گیری حافظه در سطح مولکولی را متحول کرد. تحقیقات میلنر در مورد بیمار H.M.، که از فراموشی عمیق به دنبال برداشتن لوب گیجگاهی داخلی دو طرفه رنج می برد، نقش حیاتی هیپوکامپ را در شکل گیری حافظه اپیزودیک نشان داد و درک ما از فرآیندهای تثبیت حافظه را شکل داد.

علاوه بر این، ظهور تکنیک‌های تصویربرداری عصبی مانند الکتروانسفالوگرافی (EEG)، توموگرافی انتشار پوزیترون (PET) و تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI) تحولی در مطالعه عملکرد مغز در انسان‌های زنده ایجاد کرده است. EEG اندازه‌گیری دقیق فعالیت الکتریکی در مغز را امکان پذیر می‌کند و بینش‌هایی را در مورد نوسانات عصبی و همگام سازی فرآیندهای شناختی ارائه می‌دهد. تصویربرداری PET به محققان اجازه می‌دهد تا فعالیت متابولیک و تراکم گیرنده انتقال دهنده‌های عصبی را تجسم کنند و اطلاعات ارزشمندی در مورد عملکرد و اختلال عملکرد مغز در اختلالات عصبی روانی مختلف ارائه دهند. fMRI با وضوح فضایی استثنایی خود، نقشه برداری از فعالیت مغز را در حین انجام وظایف شناختی امکان‌پذیر می‌کند و بینش‌هایی را در مورد همبستگی‌های عصبی شناخت، احساسات و رفتار انسان ارائه می‌دهد.

دوران معاصر

در عصر مدرن علوم اعصاب ماهیت بین‌رشته‌ای پیدا کرده است. زمینه‌های جدیدی مانند علوم اعصاب اجتماعی و نوروساینس عاطفی پدیدار شده‌اند که هر کدام دیدگاه‌های منحصربه‌فردی را در مورد عملکرد درونی مغز ارائه می‌کنند. علوم اعصاب اجتماعی بر روشن کردن چگونگی پردازش اطلاعات اجتماعی توسط مغز و میانجیگری تعاملات اجتماعی تمرکز می‌کند و به پرسش‌های اساسی در مورد رفتار اجتماعی انسان می‌پردازد. از طریق تکنیک‌های تصویربرداری عصبی مانند fMRI، محققان مناطق کلیدی مغز، از جمله قشر کمربندی قدامی و سیستم نورون آیینه‌ای را شناسایی کرده‌اند که در همدلی و شناخت اجتماعی نقش دارند. این رویکرد بینش‌های ارزشمندی را در مورد شرایطی مانند اختلال طیف اوتیسم و اسکیزوفرنی که با مشکلات اجتماعی مشخص می‌شوند، ارائه می‌دهد. به طور مشابه، افکتیو نوروساینس یا عصب شناسی عاطفی به همبستگی‌های عصبی احساسات و حالات عاطفی می‌پردازد و تعامل پیچیده بین مدارهای مغز و پردازش هیجانی را آشکار می‌کند. محققان با استفاده از تکنیک‌هایی مانند تصویربرداری عصبی و الکتروفیزیولوژی، نقش ساختارهای مغز مانند آمیگدال را در شرطی‌سازی ترس و تنظیم هیجانی کشف کرده‌اند. به عنوان مثال، مطالعاتی که به بررسی پاسخ‌های ترس در افراد مبتلا به اختلالات اضطرابی یا استرس پس از سانحه (PTSD) پرداخته‌اند، اختلال در تنظیم عملکرد آمیگدال را نشان داده که اهداف بالقوه‌ای را برای مداخلات درمانی ارائه می‌دهد.

علوم اعصاب و زندگی روزمره

در ادامه رشد سریع حوزه علوم اعصاب، نیاز روزافزون به ترجمه یافته‌های علمی آن به زبانی قابل فهم برای کاربست‌های روزمره برجسته می‌شد. کاربرد نوروساینس در زندگی روزمره همچون بندبازی نیازمند تعادلی ظریف است؛ چراکه اغلب، هنگامی که اصطلاحات علمی به مفاهیمی شناختی عقل سلیم مانند «دروغ» یا «عشق» ترجمه می‌شوند، ظرافت پژوهش‌های علوم اعصاب را به طور کامل در برنمی‌گیرند.
به عنوان مثال، مطالعات در مورد تشخیص دروغ با استفاده از fMRI بر روی دروغ‌هایی که عواقبی ندارند تمرکز می‌کنند، که ممکن است با چالش‌های دروغ‌ در دنیای واقعی همخوانی نداشته باشند. به طور مشابهی، تحقیقات در مورد «عشق» پاسخ‌های عاطفی منفعل به تصاویر عزیزان را مورد بررسی قرار می‌دهد و ماهیت چندوجهی عشق در زندگی روزمره را نادیده می‌گیرند. یک راه بالقوه برای این مسأله این است که دامنه مفاهیم شناختی را گسترش دهیم تا علوم اعصاب عامیانه را در برگیرد؛ مانند اشاره به احساسات و نگرش‌ها از نظر سطوح انتقال دهنده‌های عصبی . به عبارت دیگر می‌توان در تحقیقات نوروساینس برای اشاره به حس عشقی که به هنگام دیدن یک عکس قدیمی داریم آن نوروترنسمیتر یا نوروترنسمیتر‌های خاصی را که ترشح می‌شوند، عنوان کرد.

علم و عام

در یک مطالعه منتشر شده در مجله Science، محققان از fMRI برای بررسی مکانیسم‌های عصبی نهفته در فرآیندهای تصمیم‌گیری استفاده کردند. این مطالعه نشان داد که وقتی افراد با دوراهی‌های اخلاقی مواجه می‌شوند، نواحی متمایز مغز مرتبط با استدلال و پردازش هیجانی فعال می‌شوند. این یافته بر چگونگی کارکرد مغز ما در انتخاب‌های اخلاقی پیچیده و بر تعامل پیچیده بین تأمل شناختی و شهود عاطفی تأکید می‌کند. کاربرد گسترده‌تر این مطالعه می‌تواند در زمینه‌هایی مانند اخلاق، قانون، و سیاست‌های عمومی باشد، جایی که قضاوت‌های اخلاقی نقشی محوری دارند.

در مطالعه دیگری در مجله Nature Neuroscience که اثرات استرس مزمن بر ساختار و عملکرد مغز را بررسی کرده است، محققان با استفاده از تکنیک‌های تصویربرداری پیشرفته دریافتند که قرار گرفتن طولانی‌مدت در معرض هورمون‌های استرس می‌تواند منجر به تغییرات ساختاری در هیپوکامپ ، منطقه‌ای از مغز که برای حافظه و یادگیری حیاتی است، شود. علاوه بر این، آنها تغییراتی را در الگوهای اتصال در مدارهای عصبی که در تنظیم استرس، پردازش احساسات و کنترل شناختی دخیل هستند، مشاهده کردند. این مطالعه با روشن کردن پیامدهای عصبی-بیولوژیکی استرس، راهبردهایی را برای مدیریت استرس و مداخلات سلامت روان ارائه می‌کند و افراد را قادر می‌سازد تا به طور مؤثرتری با خواسته‌های زندگی روزمره کنار بیایند.

علوم اعصاب و روانکاوی

مجله Neuropsychiatry and Clinical Neurosciences در سال ۲۰۰۲ مقاله‌ای را چاپ کرد که در آن محققان به اصل مرکزی نظریه روانکاوی یعنی فرایند‌های ناخودآگاه و ارتباط اعصاب با آن‌ها پرداختند. این مطالعه با استفاده از تکنیک‌های تصویربرداری عصبی مانند fMRI، لایه‌های عصبی زیربنای خاطرات سرکوب‌شده و تعارض‌های ناخودآگاه را بررسی کرد. این مطالعه نشان داد که فعالیت مناطقی از مغز که در پردازش هیجانی دخیل هستند مانند آمیگدال و کورتکس قدامی، به هنگام تحریک فرایند‌های ناخودآگاه توسط تمرین‌هایی که طراحی شده بود، تغییر می‌کند. مطالعاتی از این دست می‌تواند مبنای بیولوژیکی فرایند‌های ذهنی را روشن کند و با پر کردن این شکاف بین عصب‌شناسی و روانشناسی، بینش‌هایی را در باب تشخیص و درمان شرایطی مانند اختلال استرس پس از سانحه (PTSD) و اختلالات تجزیه‌ای ارائه دهد.

مطالعه دیگری در این حوزه زیربنای عصبی-زیستی مکانیسم‌های دفاعی را که از مفاهیم مهم روانکاوی هستند، بررسی کرد. محققان این مقاله با به کارگیری ترکیبی از تصویربرداری عصبی و ارزیابی‌های روان‌پویشی به این نتیجه جالب توجه رسیدند که چگونه مدارهای عصبی درگیر در تنظیم احساسات و پاسخ استرس توسط مکانیسم‌های دفاعی مانند سرکوب و فرافکنی تعدیل می‌شوند. در نتیجه‌گیری کلی این مطالعه تفاوت فعالیت مدار‌‌های مغزی در الگوهای متفاوت به کارگیری مکانیسم‌های دفاعی را روشن کرد. با ادغام بینش‌های روانکاوی و علوم اعصاب، این مطالعه بر تأثیر متقابل بین فرآیندهای روان‌شناختی و عملکرد مغز تأکید کرده و راه را برای رویکردهای جامع‌تر برای روان‌درمانی و سلامت روان هموار می‌کند.

نوروساینس و هوش مصنوعی

توسعه هوش مصنوعی مبتنی بر علوم اعصاب؛ شاید در نگاه اول ارتباط مبهمی میان این دو حیطه باشد اما علوم اعصاب به عنوان یک ستون اساسی برای پیشرفت الگوریتم‌ها و مدل‌های هوش مصنوعی عمل می‌کند و بینش‌هایی کلیدی در مورد ساختار و عملکرد مغز ارائه می‌دهد. تحقیقات روی شبکه‌های عصبی، موجب توسعه شبکه‌های عصبی مصنوعی شده است؛ این شبکه‌های مصنوعی، مدل‌های محاسباتی هستند که از ساختار به هم پیوسته شبکه‌های عصبی بیولوژیکی تقلید می‌کنند. هوش مصنوعی از بسیاری از وجوه نوروساینس کمک می‌گیرد.

برای مثال، تحقیقات پیشگامانه‌ی Hubel و Wiesel، در مورد چگونگی پردازش اطلاعات بصری در لایه‌ها توسط مغز، تأثیر زیادی بر ایجاد شبکه‌های عصبی کانولوشنال داشته است. این شبکه‌ها با الهام از نحوه عملکرد مغز، نحوه شناسایی تصاویر توسط سیستم های هوش مصنوعی را تغییر داده‌اند. برای مثال، یک مدل CNN ممکن است برای تشخیص خودروها در تصاویر آموزش ببیند. اتومبیل‌ها را می‌توان به عنوان مجموع قطعات آن‌ها از جمله چرخ‌ها، صندوق عقب و شیشه جلو مشاهده کرد. هر ویژگی یک ماشین معادل یک الگوی سطح پایین است که توسط شبکه عصبی شناسایی شده و سپس این بخش‌ها برای ایجاد یک الگوی سطح بالا ترکیب می‌شوند. نمونه دیگری از این کمک‌ها مطالعه بر روی انعطاف پذیری سیناپسی و مکانیسم‌های یادگیری است که الگوریتم‌هایی مثل یادگیری تقویتی را توسعه داده‌اند و هوش مصنوعی را قادر ساخته‌اند تا استراتژی‌های تصمیم گیری بهینه را از طریق آزمون و خطا بیاموزد.

در جهت مخالف، فناوری‌های هوش مصنوعی هم نقشی اساسی در پیشبرد درک ما از مغز و فرآیندهای شناختی ایفا کرده‌اند. الگوریتم‌های یادگیری ماشین به‌ویژه مدل‌های یادگیری عمیق، تجزیه و تحلیل داده‌های تصویربرداری‌های عصبی پیچیده، مانند fMRI و EEG را تسهیل کرده‌اند و به محققان اجازه می‌دهند تا شبکه‌های زیربنایی عملکردهای شناختی را رمزگشایی کنند. در پژوهش‌های جدید، محققان الگوریتم‌های هوش مصنوعی را تربیت کرده‌اند تا نشانگرهای زیستی بالقوه‌ای که یک اختلال عصبی یا روانپزشکی می‌تواند داشته باشد را تشخیص دهد. با استفاده از فناوری‌های هوش مصنوعی، دانشمندان علوم اعصاب می‌توانند از قدرت تجزیه و تحلیل داده‌های بزرگ و مدل‌سازی پیش‌بینی‌کننده برای سرعت بخشیدن به اکتشافات و نوآوری‌ها در تحقیقات مغز استفاده کنند.

جمع‌بندی

نوروساینس که به عنوان علم سیستم عصبی نیز شناحته می‌شود، رویکردی چند رشته‌ای را در بر می‌گیرد که مسیرهای پیچیده شناخت، ادراک و احساسات را در مغز انسان بررسی می‌کند. این رشته، اصولی از زیست‌شناسی، روان‌شناسی، شیمی و فیزیک را برای کشف ساختار، عملکرد و اتصال نورون‌ها و همچنین فرآیندهای بیوشیمیایی زیربنای پدیده‌های رفتاری و شناختی ادغام می‌کند. تاریخچه علوم اعصاب که از تمدن‌های باستانی تا تلاش‌های تحقیقاتی امروزی را در بر می‌گیرد، منعکس کننده پیگیری بی‌وقفه برای درک پیچیدگی‌های ذهن و رفتار انسان است. این تلاش‌ها منتهی به پیدایش زیرشاخه‌های جدیدی در نوروساینس شده که ابتدا به درک و بعد پیشبرد جنبه‌های مختلفی از زندگی آدمی کمک می‌کند. با اهمیت پیدا کردن هوش مصنوعی در قرن بیست و یکم، مطالعه مغز آدمی که هسته اصلی AI است یک امر ضروری شده و بودجه‌های مطالعاتی زیادی را به خود اختصاص داده است.
هر آنچه که بشر تا کنون کشف و خلق کرده است از دریچه مغز او گذشته است؛ باری مگر ممکن است موضوعی را بدون کمک آن دانست و فهمید؟

منابع

Squire, L., Berg, D., Bloom, F. E., Du Lac, S., Ghosh, A., & Spitzer, N. C. (Eds.). (2012). Fundamental neuroscience. Academic press

Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M., Siegelbaum, S., Hudspeth, A. J., & Mack, S. (Eds.). (2000). Principles of neural science (Vol. 4, pp. 1227-1246). New York: McGraw-hill.

Decety, J., & Jackson, P. L. (2004). The functional architecture of human empathy. Behavioral and cognitive neuroscience reviews, 3(2), 71–100. https://doi.org/10.1177/1534582304267187

Greene, J. D., Nystrom, L. E., Engell, A. D., Darley, J. M., & Cohen, J. D. (2004). The neural bases of cognitive conflict and control in moral judgment. Neuron, 44(2), 389–400. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2004.09.027

McEwen, B. S., & Morrison, J. H. (2013). The brain on stress: vulnerability and plasticity of the prefrontal cortex over the life course. Neuron, 79(1), 16–29. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2013.06.028

Illes, J., & Racine, E. (2005). Imaging or imagining? A neuroethics challenge informed by genetics. The American journal of bioethics : AJOB, 5(2), 5–18. https://doi.org/10.1080/15265160590923358

Solms, M., & Turnbull, O. (2018). The brain and the inner world: An introduction to the neuroscience of subjective experience. Routledge.

Northoff, G., Heinzel, A., de Greck, M., Bermpohl, F., Dobrowolny, H., & Panksepp, J. (2006). Self-referential processing in our brain–a meta-analysis of imaging studies on the self. NeuroImage, 31(1), 440–457. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2005.12.002

Rocca J. (1997). Galen and the ventricular system. Journal of the history of the neurosciences, 6(3), 227–239. https://doi.org/10.1080/09647049709525710

Pevsner J. (2002). Leonardo da Vinci’s contributions to neuroscience. Trends in neurosciences, 25(4), 217–220. https://doi.org/10.1016/s0166-2236(00)02121-4

Hubel, D. H., & Wiesel, T. N. (1968). Receptive fields and functional architecture of monkey striate cortex. The Journal of physiology, 195(1), 215–243. https://doi.org/10.1113/jphysiol.1968.sp008455