نویسنده / نویسندگان : | محمدرضا ابوالقاسمیدهاقانی |
مترجم : | |
کلید واژه : | روشهای مطالعه ـ فعالیتهای الکتریکی ـ سلول عصبی ـ ادراک ـ علوم اعصاب شناختی ـ اتصال پیهت ـ رفتار نورونها |
چکیده : | در قسمت اول از سایکوفیزیک و مدلهای رایانهای به عنوان دو نمونه از روشهای مطالعه شناخت نام بردیم. در سایکوفیزیک به دنبال یافتن رابطه بین ادراک از دنیای درون و محرک کمی شده از دنیای بیرون هستیم. مدلهای رایانهای به ما کمک میکنند تا سازوکار فرآیندهای شناختی را بهتر بشناسیم و از طرف دیگر فرآیندهای شناختی مسیر بهبود مدلهای رایانهای هوشمند را تسریع میکنند. |
منابع : |
قسمت دوم
3- فرآیندهای ثبت فعالیتهای الکتریکی یک سلول عصبی
در قسمت اول از سایکوفیزیک و مدلهای رایانهای به عنوان دو نمونه از
روشهای مطالعه شناخت نام بردیم. در سایکوفیزیک به دنبال یافتن رابطه بین
ادراک از دنیای درون و محرک کمی شده از دنیای بیرون هستیم. مدلهای
رایانهای به ما کمک میکنند تا سازوکار فرآیندهای شناختی را بهتر بشناسیم و
از طرف دیگر فرآیندهای شناختی مسیر بهبود مدلهای رایانهای هوشمند را
تسریع میکنند.
همانطور که قبلا گفته شد، دانشمندان علوماعصابشناختی درصدد کشف و توصیف فعالیتهای عصبی هستند که همزمان با فعالیت شناختی در مغز و سیستم اعصاب مرکزی انجام میشود. فرآیند ثبت فعالیتهای عصبی روشهای متفاوتی دارد که در این شماره به بخشی از آنها میپردازیم. روشهای بیان شده در این قسمت به فعالیتهای الکتریکی نورونها به صورت تکسلولی برمیگردد.
فعالیتهای الکتریکی سلولهای عصبی
مغز و سیستم اعصاب مرکزی موجودات زنده از واحدهای کوچکی به نام نورون
(سلول عصبی) تشکیل شده است (شکل 1). هر نورون شامل قسمتهایی است که به کمک
آن پیام عصبی را انتقال میدهد. شکل 2 نمایی از یک نورون را نمایش میدهد.
در قسمت سر هر نورون جسم سلولی قرار گرفته است. دندریتها به عنوان
ورودیهای سلول عصبی به بدنه جسم سلولی متصلاند و هسته سلول عصبی که
حاوی اطلاعات ژنتیکی سلول است، درون جسم سلولی قرار دارد. پیام عصبی که یک
سیگنال الکتریکی است از مسیر آکسون که توسط یک گلوگاه به جسم سلولی متصل
است، عبور کرده و به پایانههای آکسونی میرسد. این مسیر با غلافهای میلین
پوشیده شده تا سرعت عبور سیگنالهای عصبی را دهها برابر افزایش دهد.
محیط داخل و خارج هر سلول عصبی سرشار از یونهای حاوی بار الکتریکی است. این یونها از گذرگاههای فراوانی که سطح نورونها را پوشانده است، بین محیط داخل و خارج سلول در حال انتقال هستند. این گذرگاهها به عنوان کانال یونی شناخته میشوند. کانالهای یونی انواع فراوانی دارند. بسیاری از آنها فقط به یونهای مشخصی (مثلا یون سدیمNa+ یا پتاسیم K+) اجازه عبور میدهند. عدهای دیگر از این کانالها نه تنها به نوع یون عبوری حساس هستند، بلکه تنها در شرایط خاصی باز میشوند. برای مثال بسیاری از کانالهای سطح نورون تنها در محدوده ولتاژی خاصی باز میشوند (به عنوان مثال کانالهای حساس به ولتاژ سدیم و یا پتاسیم). این ویژگیهای منحصر به فرد به سبب ساختار پروتئینی ویژه کانالها حاصل میشود. وجود این منافذ پیچیده (کانالهای یونی) بر روی سطح سلول عصبی موجب میشود تا محیط داخل و خارج سلول از نظر مجموع بار یونی یکسان نباشند. عدم تعادل بار یونی در محیط داخل و خارج سلول باعث ایجاد اختلاف پتانسیل در دو طرف دیواره سلولی (غشا) میشود. در حالتی که هیچ تحریک خارجی وجود ندارد (حالت استراحت) اختلاف پتانسیل مشخصی در اطراف غشا سلولی برقرار است (پتانسیل استراحت). هرگاه این اختلاف پتانسیل به گونهای بر هم بخورد که وضعیت کانالهای یونی حساس به ولتاژ عوض شود، نورون وارد حالتهای الکتریکی جدیدی میشود.
تحریکهای کوچکی از طریق محیط بیرون و یا سلولهای عصبی دیگر به نورون مقصد اعمال میشود. هر کدام از این تحریکها به اختلاف پتانسیلهای کوچک مثبت و منفی در اطراف غشا سلول تبدیل میشود. اگر این اختلاف پتانسیلهای کوچک، در زمان و مکانهای مناسبی اعمال شوند میتوانند با رسیدن به حد آستانه و برهم زدن اختلاف پتانسیل غشا، باعث فعال شدن بخشی وسیعی از کانالهای یونی حساس به ولتاژ سدیم در مکان مشخصی (نقطه الف در شکل 3) از سلول شوند. با بازشدن کانالهای یونی سدیم، حجم زیادی از یونهای سدیم وارد سلول شده و همین جابهجایی یونها باعث ایجاد اخلاف پتانسیل جدید و فعال شدن کانالهای سدیمی اطراف ناحیه الف میشود. به این ترتیب کانالهای سدیم نواحی کناری فعال شده و اختلاف پتانسیل نواحی کناری نیز برهم میخورد. بعد از آنکه کانالهای سدیمی باز شدند و اختلاف پتانسیل اطراف غشا را از حالت پتانسیل استراحت خارج کردند، شرایط پتانسیلی سلول را به نقطهای میرسانند که کانالهای پتاسیم حساس به ولتاژ باز شده و حجم قابل توجهی از یونهای پتاسیم از درون سلول خارج شوند. به این ترتیب سلول دوباره به وضعیت اول خود (از نظر اختلاف پتانسیل) بازمیگردد و همین روند برای نواحی کناری تکرار میشود. این سازوکار باعث میشود تا چرخه تغییرات پتانسیل در مسیرهای مختلف سلول عصبی (برای مثال در امتداد آکسون) حرکت کند. به این توالی تغییرات پتانسیل در امتداد آکسون و سایر قسمتهای سلول عصبی پتانسیل عمل (Action potential) گویند. شکل 3 نمایی از انتشار پتانسیل عمل در دو زمان مختلف را نشان میدهد.
به این ترتیب هر نورون به علت ویژگیهای غشا تحریک پذیرش، میتواند اختلاف پتانسیلهای متفاوتی تولید کند. اگر این اختلاف پتانسیلها به حد آستانهای برسد، پتانسیل عمل تولید شده و در حجم زیادی انتشار مییابد. در غیر این صورت، پتانسیلهای کوچک زیر آستانه با سرعت زیادی از بین رفته و سلول به حالت استراحت بازمیگردد.
زمانی که پتانسیل عمل به انتهای یک سلول رسید؛ چرخه پیچیدهای از فعالیتهای شیمیایی را فعال میکند. این فعالیتهای شیمیایی منجر به آزاد شدن مواد شیمیایی با عنوان «انتقالدهندههای عصبی» و یا «میانجی» (neurotransmitter) میشود. فضای بین دو نورون (محل فعالیت انتقالدهندههای عصبی) را سیناپس گویند (شکل 4). انتقالدهندهها از پایانه آکسونی سلول عصبی خارج میشوند. این مواد باعث تحریک الکتریکی و ایجاد پتانسیل زیر آستانه بر روی دندریت نورون مجاور میشوند. این تحریکها در صورت رسیدن به حد آستانه در سلول عصبی مجاور پتانسیل عمل تولید میکند. به این ترتیب سیگنالهای عصبی از یک سلول به کمک فرآیندهای الکتریکی-شیمیایی به سلول دیگر منتقل میشود.
پس هر سلول عصبی شامل ویژگیهای الکتریکی است. این ویژگیها باعث میشود تا الگوی مشخصی از اختلاف پتانسیل الکتریکی در اطراف هر سلول ایجاد شود. زمانی که تعدادی از سلولها کنار یکدیگر قرار میگیرند، الگوی پتانسیلی جدیدی که از برهمکنش رفتار الکتریکی مجموع سلولهاست به وجود میآید. رفتارهای الکتریکی سلولهای عصبی همان چیزی است که ما از آن به عنوان سیگنالهای عصبی یاد میکنیم. سیگنالهای عصبی، روند تغییرات اختلاف پتانسیل مربوط به فعالیت نورونها در زمان است. سیگنالهای عصبی در سطح تک سلول و یا جمعیتی از سلولها مورد مطالعه قرار میگیرد. روشهای ثبت فعالیتهای عصبی به دنبال ثبت و ذخیرهسازی این نوع سیگنالهای الکتریکی است. ثبت فعالیت الکتریکی سیستم عصبی در سطوح مختلفی قابل بررسی است. گاهی ما به دنبال بررسی رفتار الکتریکی یک تک کانال هستیم و گاهی نیز به مجموع فعالیت الکتریکی میلیاردها سلول نگاه میکنیم.
گاهی برای ثبت از سلولهای عصبی، آنها را از بدن موجود زنده خارج کرده و
در وسایل آزمایشگاهی مورد بررسی قرار میدهیم. به اینگونه روشها که
مطالعه بافت، درون وسایل آزمایشگاهی صورت میگیرد، روش اینویترو
(in_vitro) گویند. اما گاهی فعالیت سلولهای عصبی بدون جدا شدن از بدن
موجود زنده، اندازهگیری میشود. برای مثال فعالیت عصبی نورونهای قسمت
خاصی از مغز میمون در حالی که یک فعالیت شناختی را انجام میدهد
اندازهگیری میشود. به این نوع روشها که بافت از بدن موجود زنده جدا
نمیشود، روش اینویوو (in_vivo) گویند.
الف) ثبت فعالیت الکتریکی سلولهای عصبیِ جدا شده از موجود زنده
معروفترین روش برای این نوع از ثبت فعالیت الکتریکی، روشی موسوم به
پچکلمپ (Patch clamp) است. در این روش، سلول عصبی را از موجود زنده جدا
کرده و در محیط آزمایشگاهی زنده نگه میدارند. بعد به کمک یک پیپت شیشهای
بسیار ظریف به سلول عصبی نزدیک شده و از طریق نقطه اتصال پیپت شیشهای به
مطالعه رفتارهای الکتریکی سلول میپردازند (شکل 5). متناسب با نوع اتصال
پیپت شیشهای به غشا سلولهای عصبی، روشهای مختلفی برای بررسی رفتار
نورونها به وجود میآید. در ابتدا پیپت شیشهای به کمک مکش ضعیفی به طور
کامل به سلول عصبی چسبیده میشود (شکل 6). در مرحله بعد اگر به کمک یک مکش
شدید، غشا سلول پاره شود (شکل 7)؛ ما از طریق پیپت شیشهای به تمام سلول
دسترسی پیدا میکنیم و به این ترتیب امکان ثبت از ویژگیهای الکتریکی درون
سلول را به دست میآوریم.
اگر بعد از اتصال پیپت شیشهای، پیپت را به سمت بالا بکشیم، میتوانی به
محیط داخل سلولی قسمتی از نورون دست پیدا کنیم به این روش به اصطلاح
داخل-خارج (inside-out) گویند. به کمک این روش میتوانیم ویژگیهای
الکتریکی قسمتی از محیط داخل سلولی نورون را مورد بررسی قرار دهیم. (شکل 8)
حال اگر بعد از اتصال پیپت شیشهای و پاره شدن سلول عصبی، پیپت شیشهای را
جدا کنیم؛ میتوانیم به بخش خارجی قسمتی از سلول دسترسی داشته باشیم. به
این روش به اصطلاح روش خارج-خارج (Outside-out) گوییم. (شکل 9). بعد از جدا
شدن تکهای از سلول که قبلا پاره شده است (شکل میانی شکل 9) به دلیل
ویژگیهای غشا سلولی، دو طرف پاره شده به یکدیگر متصل میشوند.
بعد از دسترسی به قسمتهای مختلف یک سلول عصبی از طریق روش پچکلمپ،
ویژگیهای الکتریکی آن قسمت از سلول را مورد بررسی قرار میدهیم. برای ثبت
فعالیت الکتریکی، از الکترود و تقویتکننده استفاده میکنیم. الکترودها
میدان الکتریکی ناشی از اختلاف پتانسیل ایجاد شده توسط یونها را اندازه
میگیرد و تقویتکننده این اختلاف پتانسیل بسیار کوچک را چندین هزار برابر
تقویت میکند. ویژگیهای الکتریکی نورونها معمولا توسط مولفههای مداری
مانند مقاومت و خازن توصیف میشود (شکل 10). هر قسمتی از غشا، مقاومتی در
برابر عبور جریان دارد و به دلیل عدم تقارن یونها در دو طرف آن خواص خازنی
نیز نشان میدهد. این نوع نگاه در مدلسازی ریاضی سلولهای عصبی که اولین
بار توسط دو دانشمند به نامهای Hodgkin و Huxley بیان شد، نیز کمک بسیار
زیادی به ما میکند. در روش پچکلمپ میتوان جریان و اختلاف پتانسیل قسمت
مورد مطالعه سلول را اندازهگیری کرد. این کار گاهی با ثابت نگه داشتن
جریان و گاهی با ثابت نگه داشتن ولتاژ انجام میشود.
به این ترتیب فعالیت الکتریکی در سطح تک سلول ثبت میشود. شناسایی
ویژگیهای الکتریکی قسمتهای مختلف سلولهای عصبی به ما کمک میکند تا
بتوانیم توصیف دقیقتری از ارتباط و تعامل نورونها در شبکههای بزرگ سیستم
عصبی، پیدا کنیم.
ب) ثبت فعالیت الکتریکی سلولهای عصبی، درون موجودات زنده
برای پیدا کردن رابطه رفتار و فعالیتهای عصبی، ما نیازمند آن هستیم که از
فعالیت نورونها، هنگام انجام فعالیت شناختی ثبت بگیریم. برای اینکار
نیازمند مقدمات زیادی هستیم. گاهی فرآیند ثبت بر روی موجود بیهوش انجام
میشود. هرچند بیهوشی فرآیند ثبت را آسان میکند اما محدودیت بسیار بزرگی
بر رفتار و فعالیتهای شناختی اعمال میکند. از اینرو، بیشتر دانشمندان
حوزه علوم اعصاب شناختی از فعالیت عصبی موجودات زنده در حالت هوشیار ثبت
میگیرند.
چون امکان دسترسی به درون سلولهای عصبی موجودات زنده بسیار دشوار است،
معمولا از فرآیند ثبت خارج سلولی برای این منظور استفاده میشود. در این
روش الکترود در میان فضای بین سلولی قرار میگیرد (شکل 11). به این ترتیب،
برآیند فعالیت عصبی همه سلولهای اطراف الکترود اندازهگیری خواهد شد.
علاوه بر ماهیت ترکیبی سیگنالهای دریافت شده؛ اختلاف پتانسیلهایی که در
محیط خارج سلولی احساس میشود، بسیار ضعیفتر از پتانسیلهای درون سلولی
است. از اینرو ما نیازمند ابزار اندازهگیری دقیقتری برای ثبت هستیم.
سیگنال به دست آمده از روش ثبت خارج سلولی، بیانگر فعالیت تعداد بسیار
زیادی از نورونهاست. الگوریتمهای شناسایی الگو برای تفکیک پاسخهای مختلف
سیگنال خارج سلولی بهکار گرفته میشود. الگوی ویژه پاسخ سلولهای عصبی
امکان جداسازی فعالیت تک سلولها از سیگنال بهدست آمده را فراهم میکند.
فعالیت چند نورون اطراف الکترود در پهنای باند 300 تا 30هزار هرتز یافت
میشود. فعالیتهای عصبی نورونهای دوردست معمولا زیر آستانه پتانسیل عمل
در پهنای باند زیر 300 هرتز قرار میگیرند.
به این ترتیب در نتیجه جریان ثبت خارج از سلولی ما به سیگنال پیچیدهای
میرسیم که معرف سطوح مختلف فعالیتهای عصبی همراه یک عمل شناختی است. برای
مثال شکل 12 میمونی را نشان میدهد که در حال انجام عمل شناختی دیدن است و
همزمان با این عمل از سلولهای عصبی مغزش، ثبت گرفته میشود. در مطالعات
قبلی مشخص شده که کدام قسمت از مغز میمون مربوط به پردازش ورودیهای بینایی
است. با عملجراحی وسایل لازم برای رساندن الکترود به آن نقطه خاص از مغز
میمون نصب میشود. به این ترتیب دنیای درون مغز موجود زنده با معیارهای
اندازهپذیرِ، در دست انسان امروز است.
منابع جهت مطالعه بیشتر:
1- http:// www.leica-microsystems.com / science - lab / the -patch - clamp -technique/
2- Martin, A. Robert, Bruce G. Wallace, and Paul A. Fuchs. From neuron
to brain. Vol. 271. Sunderland, MA: Sinauer Associates, 2001.
3- Bear, Mark F., Barry W. Connors, and Michael A. Paradiso, eds.
Neuroscience Exploring the Brain . Wolters Kluwer Health, 2007.
4- Binder, Marc D., and Nobutaka Hirokawa. Encyclopedia of neuroscience. Springer, 2009.
5- http://www.ccs.fau.edu/~dawei/COG/Problem/q03.html
6- شکل 4 و 6 از منبع شماره 3 و شکل 7 و 8 و 9 از منبع شماره 1 و شکل 12 از
منبع شماره 5 آمده است. بقیه عکسها از جستوجوی گوگل با کمی تغییرات آمده
است.
منبع: مجله دانشمند شماره 615 دی 1393
مجله دانشمند 615 فلسفه علم