مهندسی تجهیزات پزشکی

خبرهای ویژه

» تازه های پزشکی » کنش ها و واکنش های الکتریکی سیستم عصبی و ساختار نورونی مغز انسان

تاریخ انتشار : ۱۳۹۶/۰۵/۱۲ - ۵:۲۸

کنش ها و واکنش های الکتریکی سیستم عصبی و ساختار نورونی مغز انسان

علم نوروبیولوژی با رازداری و سلطه‌های مافیائی شدیدی مواجه است. علت این امر را در این نکته باید جستجو کرد که ادامه این پژوهشها ممکن است امکان کنترل ذهن انسان را فراهم آورد

کنش ها و واکنش های الکتریکی سیستم عصبی و ساختار نورونی مغز انسان

نوروبیولوژی : کنش ها و واکنش های الکتریکی سیستم عصبی و ساختار نورونی مغز انسان

علم نوروبیولوژی با رازداری و سلطه‌های مافیائی شدیدی مواجه است. علت این امر را در این نکته باید جستجو کرد که ادامه این پژوهشها ممکن است امکان کنترل ذهن انسان را فراهم آورد که منبع قدرت بیکرانی برای صاحبان سلطه محسوب میشود. از اینرو اطلاع از آخرین دست آوردهای پژوهشی در این زمینه حتی برای بسیاری از متخصصین رشته نیز غیر ممکن است. لذا با تحلیل اطلاعات موجود کوشش بر آن داریم که اشرافی نسبی به این مسأله و درجه پیشرفت آن پیدا بکنیم.

تا چندین سال پیش تصور میکردند که هر سلول عصبی در حکم یک «بیت» حافظه است و از آنجا که تعداد سلولهای عصبی انسان را در حدود ۱۰۰ میلیارد تخمین زده بودند (و این تخمین نیز مورد مناقشه بود و هست)، لذا گنجایش حافظه انسانی را نیز بر حسب تعداد سلولهای عصبی  در حد ۱۰۰ گیگا بیت تخمین میزدند. اما از آنجا که هر یک از سلولهای عصبی به کمک حدود ۱۰۰۰ سیناپس با سلولهای عصبی دیگر در ارتباط اطلاعاتی قرار دارد، ضمن تحقیقات طولانی به این نتیجه رسیدند که هر سلول عصبی یا نورون در واقع در حکم یک کامپیوتر است که از طریق صدها سیناپس و با روشهای الکتریکی و شیمیائی با نورونهای مشابه مبادله اطلاعات میکند.

نورونها در واقع اکثرا به صورت شبکه موجودند و در مغز و نخاع  به وفور یافت میشوند. برخی از نورونهای تخصصی وجود دارند مانند «نورونهای حسی»، که در برابر محرکهای حسی مانند نور و لامسه و صدا و غیره عکس العمل نشان میدهند و آن را به مغز منتقل میکنند. همچنین نورونهای حرکتی که با دریافت پیغامهائی از مغز و نخاع و انتقال آن به اعضاء موجب انقباضهای عضلانی در اندامهای مختلف بدن میشوند و بالاخره نورونهائی که به صورت شبکه ارتباطی در بخشهای مختلف دستگاه مرکزی اعصاب فعالیت میکنند. نورون غیر از بدنه اصلی دارای زائده‌هائی موسوم به «دندریتها» و «آکسونها» است. دندریتها رشته‌های پرشاخه‌ای هستند که از بدنه اصلی نورون منشعب میشوند. آکسونها نیز برآمدگیهائی هستند که وظائف خاصی را انجام میدهند و معمولا هر نورون صرفا دارای یک آکسون است. نورونها در حالت استراحت دارای یک پتانسیل الکتریکی حد اقل (در حدود ۷۰-  میلی ولت) در دوسوی غشاء خود میباشند و این پتانسیل در حالت «تحریک» به حدود ۱۰۰+ میلی ولت میرسد که این حالت معمولا «شلیک نورونی» نامیده میشود. شلیک نورونی موجب انتقال خبر به نورونهای دیگر از طریق آکسون و شبکه سیناپسهاست که معمولا حالت «دیجیتال» دارد، یعنی این تحریک یا به طور کامل به نورونی دیگر منتقل میشود و یا اصلا نمیشود. یونهای سدیم و پتاسیم با تشکیل نوعی «پمپ یونی» در فعالیت الکتریکی نورونها نقش اصلی را دارند، به این دلیل تعادل سدیم و پتاسیم در بدن از شاخصهای اصلی سلامت ارگانیزم محسوب میشود.

سلولهای عصبی کودک ممکن است تا مدتی قدرت تولید مثل و تکثیر را داشته باشند، اما سلولهای عصبی افراد بزرگسال معمولا خاصیت تکثیر ندارند و در صورت از بین رفتن، جایگزین نمیشوند. اندازه مغز کودک نوزاد با فرد بزرگسال تفاوت چندانی ندارد، بدین معنی که انسان کم و بیش با سلولهای عصبی مادام العمر خود متولد میشود.

ساختار عمومی نورون

سلول زنده به طور اعم و سلول عصبی به طور اخص از پیچیدگی و آلگوریتم گسترده‌ای برخوردار است که به جرأت میتوان گفت که درجه پیچیدگی آن از یک منظومه شمسی بسیار بالاتر است. تفاوت عمده سلولهای عادی و سلولهای عصبی در این نکته است که سلول عصبی، در وجه عمده، یک پردازشگر اطلاعات است، اما همین پردازشگر اطلاعات نیز نیاز به جذب انرژی و دفع مواد زائد و حراست از کد ژنتیک بدن  دارد و به طور کلی وظائف سلولهای عادی را نیز، غیر از وظیفه تولید مثل، در مقیاس وسیع انجام میدهد. اما هنوز کسی نتوانسته است گنجایش واقعی حافظه انسان را محاسبه کند، زیرا مکانیزم نهائی برای نگهداری اطلاعات هنوز کاملا شناخته شده نیست، اما امروزه محققین این رقم را حد اقل ۳ ترابایت (۳۰۰۰ گیگابایت) تخمین میزنند. فن نویمان دانشمند برجسته آمریکائی- مجارستانی در حوزه ریاضیات و نظریه کوانتوم در دهه ۵۰ قرن گذشته  این رقم را ۸/۲ در ده به توان ۲۰ بایت میدانست که میلیونها برابر بیشتر است. برخیها معتقدند این حجم گسترده اطلاعات به برکت شیوه‌های «فشرده‌سازی» خاصی در مغز صورت میگیرد که قادر است حجم اطلاعات را تا یک میلیون برابر کاهش دهد. ابهام در میزان گنجایش حافظه بیشتر ناشی از این امر است که هنوز اطلاعات دقیقی در مورد نحوه واقعی نگهداری اطلاعات در مغز وجود ندارد، ولی مسلم است که حدس قدیمی بر مبنای «یک نورون در حکم یک بیت» حتما نادرست است، زیرا حتی هر یک از سلولهای بدن انسان به تنهائی قادر به نگهداری اطلاعات ژنتیک در حجم گسترده‌ای است، به طوری که همان سلول را به راحتی میتوان به یک کامپیوتر تشبیه کرد، سلول عصبی که به صورت تخصصی برای پردازش اطلاعات موجودیت یافته است، باید بتواند از ظرفیت بسیار بالاتری برخوردار باشد. ابهام دیگری که در تخمین ظرفیت اطلاعاتی ذهن وجود دارد، از این نکته ناشی میشود که ذهن بعضی فعالیتهای «غیر آلگوریتمیک» از خود نشان میدهد که پیرامون آن سخن خواهیم گفت.

گفتیم که سلول عصبی از طریق شبکه سیناپسهای خود با سلولهای عصبی دیگر به روش شیمیائی یا الکتریکی مبادله اطلاعات میکند. یک موج الکتروشیمیائی موسوم به «پتانسیل فعالیت« در طول آکسون پیش میرود. هنگامی که این موج به محل سیناپس میرسد، موجب رهاسازی مقداری ماده انتقال دهنده عصبی میشود که همین ماده با گیرنده‌های شیمیائی موجود در غشای سلول متقابل در آن سوی سیناپس پیوند میخورد. بین سلولهای دو سوی سیناپس گذرگاهی به ضخامت حدود ۲۰ نانومتر موسوم به «شکاف سیناپتیک« وجود دارد. این ضخامت کم موجب میشود که غلظت ماده انتقال دهنده عصبی بتواند به سرعت در آنجا افزایش یا کاهش یابد. در این هنگام پلاریته الکتریکی غشای سلول معکوس میشود و موجب آماده شدن مسیرهائی میشود که برای یونهای کلسیوم قابل نفوذ است. یونهای کلسیوم از غشای این سوی سیناپس عبور کرده و موجب تراکم یونهای کلسیوم در بخش درونی میشوند.  تراکم یونهای کلسیوم موجب فعال سازی نوعی پروتئینها میشود که به کیسه‌های حاوی ماده انتقال دهنده عصبی متصلند. تحریک پروتئین‌های مذکور موجب میشود که ماده انتقال دهنده عصبی از کیسه‌ها آزاد شده و در ناحیه «شکاف سیناپتیک» رها شود. بخشی از این ماده انتقال دهنده عصبی پراکنده میشود، اما بخشی از آن با ماده گیرنده عصبی سلول متقابل ترکیب میشود و موجب تغییرات متعددی در آن میشود که نوعی «فعال سازی» است. این حادثه مهمترین مرحله انتقال تحریک عصبی از یک سلول به سلول مجاور محسوب میشود. ماده انتقال دهنده عصبی بعد از فعال سازی گیرنده عصبی سلول مجاور در اثر عوامل حرارتی نهایتا از گیرنده‌های مذکور جدا شده و از ناحیه دور میشود و توسط سلول این سوی سیناپس جذب مجدد میشود و برای فعالیت بعدی آماده سازی میشود. این عمل آشکارا به فعالیت پیکهای پیام رسان میماند که بعد از رساندن پیام خود به نقطه مبدأ مراجعت میکنند. ظاهر امر این است که سلول گیرنده پیغامی را از سلول فرستنده دریافت نموده است. ده‌ها سال چنین فکر میکردند که این حادثه در حکم آن است که «یک بیت» اطلاعات مبادله شده است، اما پیچیدگی عظیم این مکانیزم مبادله خبر که همه ساله رسالات متعدد دکترا را به خود اختصاص میدهد، نشان میدهد که قضیه به این سادگی نیست و در اینجا ارتباطات خیلی حساسی جریان دارد.

هر یک از مراحل یاد شده در تشکیل انتقال دهنده‌های شیمیائی، نگهداری آنها در کیسه‌های مربوطه، آزادسازی آنها، رسیدن آنها به سلولهای گیرنده، شناخته شدن آنها در سلول گیرنده، و غیر فعال سازی مجدد ماده انتقال دهنده و غیره از اهمیت بالائی برخوردار است و اختلال در هر یک از آنها ممکن است موجب بروز بیماریهائی نظیر شیزوفرنی، پارکینسون، آلزایمر و امثال آن بشود. گذرگاه سیناپتیک علیرغم ضخامت بسیار کم آن، مکان وقوع مهمترین حوادث تعیین کننده رفتار سیستم اعصاب است. عملکرد این مکانیزم میتواند از انواع داروهای عصبی تأثیر بپذیرد که به اشکال متنوع در قابلیت مبادلاتی سلولهای عصبی تأثیر میگذارند. گذرگاه سیناپتیک با ضخامت حدود ۲۰ نانومتر رازهای نامکشوف زیادی را در خصوص ماهیت موجود زنده در خود پنهان دارد و بسیاری از متخصصین علم نوروبیولوژی معتقدند که در همین گذرگاه باریک است که رد پای جبریت نا گهان ناپدید میشود، زیرا انتقال پیام تحریک بین سلولهای مجاور از طریق شکاف سیناپس به کمک انتقال دهنده‌های شیمیائی ماهیتی کوانتیک دارد.

اگر سیناپس در وضعیت «فعال« باشد، پتانسیل فعالیت میتواند از این طرف سیناپس به طرف دیگر آن برسد و سلول مجاور را نیز تحریک نماید. اما اگر سیناپس در وضعیت فعال نباشد، مقدار تحریک سلولی ممکن است به حد تحریک پذیری سلول مجاور بالغ نشود و در نتیجه سلول مجاور نتواند «شلیک» کند. البته هر سلول عصبی در مغز با تعداد زیادی از سلولهای مجاور ارتباط سیناپتیک دارد. لذا هنگامی که موج تحریک به طور همزمان از تعداد زیادی از سلولها فرامیرسند،  این تجمع ممکن است علیرغم ضعیف بودن سیناپسها باعث بروز حالت تحریک سلولی بشود. همچنین یک سلول عصبی ممکن است نوعی انتقال دهنده عصبی را به سلولهای دیگر بفرستد تا تحریک پذیری آنها را کاهش دهد که «پتانسیل بازدارنده فراسیناپسی» نامیده میشود. بنا بر این، رفتار هر سلول عصبی تحت تأثیر علائمی است که از سلولهای متعدد به آن میرسند و هر یک از آنها از ضریب نفوذ متفاوتی در رفتار آن سلول برخوردار است. بیش از پنجاه نوع انتقال دهنده‌ عصبی شناخته شده‌اند که بسیاری از آنها وظائف تخصصی دارند.

عناصر عمده دخیل در انتقال عصبی در سیناپسهای شیمیائی. در تصویر فوق دو سلول عصبی مجاور را مشاهده میکنیم که هر یک دارای یک آکسون و تعدادی دندریت است. در امتداد آکسون در ناحیه بینابینی، ناحیه موسوم به «شکاف سیناپتیک» را مشاهده میکنیم که در تحلیل رفتار دستگاه مرکزی اعصاب از اهمیت طراز اولی برخوردار است. تصویر بزرگ شده این ناحیه در قسمت پائین سمت راست تصویر مشاهده میشود. کیسه‌های حاوی ماده انتقال دهنده عصبی نیز در تصویر نمایان است.

اینها شمه‌ای از ساختار بیرونی سلولهای عصبی بود. دانش امروزین نوروبیولوژی عمدتا بر اساس مفهوم نورون و ارتباطات شیمیائی آن بنا شده است. اما آیا ساختار درونی نورون چگونه است؟ اگر ساختمانی را از دور (مثلا از هواپیما) مشاهده کنیم که لوله‌های متعددی به آن وارد و از آن خارج شده‌اند، و در پشت بام آن نیز یک بشقاب ماهواره نصب شده است و از دودکش آن نیز دود خارج میشود، آیا نباید نتیجه گیری کنیم که درون آن ساختمان کارخانه‌ای وجود دارد و بر اساس برنامه معینی مشغول تولید است؟ ساختار بیرونی نورون نشان میدهد که این سلول میخواهد با جهان اطراف خود ارتباطات فعالی داشته باشد، لذا در درون آن ضرورتا باید حوادثی در شرف وقوع باشد که ایجاد ارتباط با جهان خارج نیز از مقتضیات حوادث درونی آن است. طبیعی است که ابزارهای لازم برای اکتشاف ساختار درونی سلولهای عصبی به خوبی فراهم است و میکروسکوپهای الکترونی و سایر تجهیزات پیشرفته مهندسی پزشکی دریچه واضحی به دنیای درونی نورونها میگشایند.

برخی از پژوهشگران این رشته، معتقدند که فعالیتهای بیشمار ذهن، در ساختارهای پیچیده‌ای صورت میگیرد که درون سلول عصبی جای دارند. این تفکر انگیزه‌های متعددی دارد که یکی از مهمترین آنها مطلبی است که به سهولت نمیتوان آن را نادیده گرفت. در موجودات تک سلولی که فاقد هر نوع نورون و سیناپس و امثال آنند، رفتارهائی مشاهده میشود که شباهت زیادی به پردازش اطلاعات و حتی یادگیری دارد. مثلا موجود تک سلولی موسوم به Parameciumاز گروه «مژک‌داران» را در نظر میگیریم که معمولا در آبهای شیرین زندگی میکند. برای این که این سلول در آب به طرف جلو حرکت کند، باید مژکهای آن به صورت هماهنگ تحت زاویه معینی به طرف عقب ضربه بزنند که نتیجه آن حرکتی مارپیچی در امتداد محوری نامرئی است. سلول میتواند ضمنا با ضربات مژکهای خود به طرف جلو به صورت هماهنگ، در جهت عقب نیز حرکت کند. هنگامی که پارامکیوم به جسم جامدی برخورد میکند، با حرکت مژکهای خود به طرف عقب حرکت میکند. آنگاه ضمن این که مسیر خود را کمی منحرف میکند، مجددا به طرف جلو حرکت میکند. اگر مجددا به جسم جامد برخورد کند، این کار را مرتبا تکرار خواهد کرد تا جسم مذکور را دور بزند. پارامکیوم از میکروارگانیزمهائی مثل باکتریها، خزه‌ها و مخمرها تغذیه میکند و نحوه جذب و هضم غذا و توزیع آن در بدنه سلول و دفع مواد زائد مکانیزمهای ظریفی دارد. آزمایشهای به عمل آمده در خصوص رفتارهای یادگیری پارامکیوم حاکی از آنند که این موجود تک سلولی قادر است ضمن تأثیر پذیرفتن از شوکهای الکتریکی، بین دو نوع سطح درخشندگی محیط تفاوت قائل شود و محیط امن را انتخاب نماید. ارتباط این سلولها با سلولهای همنوع خود از طریق امواج الکترومغناطیسی طی آزمایشهای دقیقی به اثبات رسیده است. همه محققین این رشته بر وجود رفتارهای مذکور قائل هستند. حال پرسیدنی است که آیا یک موجود تک سلولی بدون دارا بودن نورون یا اجزاء آن مانند آکسون و سیناپس، چگونه قادر است این همه پردازش اطلاعات و رفتارهای سنجیده و حتی قابلیت یادگیری را از خود نشان دهد؟ لذا باید کانونهای پردازش اطلاعات در مغز انسانی را نیز نه صرفا در نورونها و ارتباطات شیمیائی آنها، بلکه در ساختارهای پیچیده درون نورونها جستجو کرد.

موجود تک سلولی موسوم به پارامکیوم که رفتارهای حرکتی و قابلیتهای یادگیری آن، پردازش اطلاعات در مقیاسی بسیار ریزتر از نورون را مطرح میکند.

مطلب عجیب عبارت از آن است که حتی اگر مغز را با یک کامپیوتر مقایسه کنیم، مصرف انرژی این کامپیوتر علیرغم قدرت محاسباتی بسیار بالای آن در سطحی بسیار نازل و حدود ۲۵ وات (ژول در ثانیه) است که شاید بخش مفید آن نیز صرفا ۱۰ وات باشد. مغز تقریبا ۲ درصد وزن بدن را تشکیل میدهد، اما ۲۰ درصد اکسیژن مصرفی بدن را به خود اختصاص میدهند. این امر از دید مهندسی امروز شگفت انگیز است و هنوز در علوم مهندسی کامپیوتر یک روش عملی برای نگهداری و پردازش این مقدار اطلاعات بالا ضمن مصرف انرژی در چنین سطح پائینی بعید مینماید. اگر میزان مصرف انرژی به اذای هر «دروازه منطقی» یا gate  را بر اساس این رقم محاسبه کنیم، به فرض وجود ۱۰۰ میلیارد سلول عصبی در مغز و به فرض آن که هر سلول عصبی را در حکم یک دروازه منطقی فرض کنیم، به رقمی در حد ۱۰۰ «پیکووات» (هر پیکو وات برابر یک میلیونیم یک میلیونیم وات) میرسیم. و اگر در نظر بگیریم که هر سلول عصبی از طریق حدود ۱۰۰۰ سیناپس با سلولهای دیگر ارتباط اطلاعاتی دارد، به این نتیجه میرسیم که مصرف انرژی سیناپسها به عنوان دروازه‌های اطلاعاتی (gate) در حد یک دهم پیکو وات است. این کمیت واقعا یک کمیت کوانتیک محسوب میشود و در مرز عدم حتمیت مکان و انرژی قرار دارد. دانشمندان میزان انرژی مصرفی هر سلول بدن انسان را نیز در حد ۱ پیکووات محاسبه کرده‌اند. در تکنولوژی پیشرفته امروزی کامپیوترها در بهترین صورت سخن از «نانو وات» (یک میلیاردیم وات) به اذای هر دروازه اطلاعاتی میرود که ۱۰۰۰۰ مرتبه بیشتر از قدرت مصرفی دروازه‌های منطقی مفروض مغز یعنی سیناپسها است. از اینجا چنین تصوری سر بر می‌آورد که مکانیزم نگهداری و پردازش اطلاعات در مغز ممکن است ماهیتی کوانتیک داشته باشد. اگر چنین باشد، علم مغزشناسی باید در درجه نخست محمل این نوع اطلاعات در مغز را ردیابی کند و ثانیا جایگاه پدیده‌های کوانتیک را نیز در آن مشخص نماید.



دسته بندی : تازه های پزشکی , تحقیقات مهندسی پزشکی , دانش نامه مهندسی پزشکی
ارسال دیدگاه

سفر به مشگین شهر
آپلود عکس
تبلیغات
آپلود عکس
تبلیغات
آپلود عکس
تبلیغات
آپلود عکس
تبلیغات
آپلود عکس
تبلیغات
آپلود عکس