علمی، پژوهشی و فناوری

پرده‌برداری از پیچیدگی های پنهان مغز انسان

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری :  این تحقیق نشان می‌دهد که تغییرات در مغز انسان در طول تکامل، نقش مهمی در پیشرفت توانایی‌های شناختی پیچیده مانند: تفکر، حل مسئله و ارتباطات ایفا کرده است.

محققان از میکروسکوپ الکترونی با وضوح بالا برای تصویربرداری از یک قطعه کوچک از بافت مغز انسان استفاده کردند و نقشه‌ سه‌بعدی بیش از 57000 سلول و نزدیک به 150 میلیون سیناپس را تولید کردند. یافته‌های آنها جزئیات پیچیده‌ای را در مورد انواع سلول‌ها و اتصالات نشان می‌دهد، که پیچیدگی مغز را برجسته می‌کند.

درک کامل شیوه عملکرد مغز انسان مستلزم دانستن روابط بین سلول‌های مختلف سازنده مغز است. این موضوع مستلزم تجسم ساختار مغز در مقیاس نانومتر به منظور دیدن ارتباطات بین نورون‌ها می‌باشد.

تکنیک‌های تصویربرداری از مغز انسان و روش تحقیق

تیمی از محققان به سرپرستی دکتر جف لیچتمن از دانشگاه هاروارد و دکتر ویرن جین، از میکروسکوپ الکترونی (EM) برای تصویربرداری از یک قطعه مکعبی میلی‌متری از بافت مغز انسان با وضوح بالا استفاده کردند. این بافت از قشر مغز یک بیمار به عنوان بخشی از جراحی برای صرع برداشته شد.

این تیم کار خود را با برش بافت به بیش از 5000 برش یا بخش آغاز کردند، که هر یک از آنها توسط EM تصویربرداری شد. محققان با این کار حدود 1.4 پتابایت یا 1400 ترابایت داده به دست آوردند.

محققان با استفاده از این داده‌ها، یک بازسازی سه‌بعدی از هر سلول در نمونه ایجاد کردند. نتایج مطالعه با بودجه NIH در مجله Science منتشر شده است.

یافته‌های تفصیلی و تجزیه و تحلیل سلولی

تجزیه و تحلیل تک تک سلول‌های نمونه در مجموع بیش از 57000 سلول را نشان داد. بیشتر این سلول‌ها یا نورون‌هایی بودند که سیگنال‌های الکتریکی را ارسال می‌کنند، یا گلیاهایی بودند که عملکردهای پشتیبانی مختلفی را برای نورون‌ها فراهم می‌آورند. نسبت گلیا به نورون 2 به 1 بود.

شایع‌ترین سلول‌های گلیا، الیگودندروسیت‌ها بودند، که باعث پشتیبانی ساختاری و عایق الکتریکی نورون‌ها می‌شوند. نمونه مکعبی میلی‌متری حاوی حدود 230 میلی‌متر رگ‌های خونی نیز بود.

بازسازی جزئیات، ساختاری را نشان داد که در گذشته دیده نشده بود. محققان نوعی نورون به نام سلول‌های مثلثی را که در عمیق‌ترین لایه قشر مغز یافت می‌شود، تجزیه و تحلیل کردند. بسیاری از این سلول‌های مثلثی در جهت مخالف یکدیگر بودند و تصاویر آینه‌ای از یکدیگر تشکیل می‌دادند. اهمیت این سازمان تاکنون ناشناخته باقی مانده است.

سیناپس‌ها و اتصالات

محققان از یادگیری ماشینی برای شناسایی سیناپس‌ها استفاده کردند. سیناپس‌ها اتصالاتی هستند که از طریق آنها سیگنال‌ها از یک سلول به سلول دیگر منتقل می‌شوند. آنها حدود 150 میلیون سیناپس پیدا کردند و به طور تقریبی همه نورون‌ها تنها یک سیناپس را با یک سلول هدف معین تشکیل دادند.

در یک مورد، بیش از 50 سیناپس یک جفت سلول را به هم متصل کردند. اگرچه نادر است، اما اتصال هفت یا چند سیناپس بین سلول‌ها بسیار شایع‌تر از حد انتظار بود. این نشان می‌دهد که این اتصالات قوی دارای اهمیت عملکردی هستند.

کانکتومیک و پیچیدگی مغز انسان

نتایج نشان می‌دهد که مغز به چه میزان در سطح سلولی پیچیده است. همچنین محققان در این مطالعه ارزش کانکتومیک که به معنای علم تولید نقشه‌های جامع از ارتباطات بین سلول‌های مغز است را برای درک عملکرد مغز انسان مورد توجه قرار دادند.

این تیم تحقیقاتی مجموعه داده‌های خود را در دسترس عموم گذاشته‌اند. همچنین آنها ابزارهای نرم‌افزاری مختلفی را برای کمک به بررسی نقشه مغز ارائه کرده‌اند.

امید این است که مطالعه بیشتر داده‌ها توسط این تیم تحقیقاتی و دیگر محققان، بینش جدیدی در مورد عملکرد مغز انسان فراهم کند.