تحریک نورون‌ها برای القاء ادراکاتی خاص در مغز موش‌ها

تصویر برداری نورون ها (تصویر آرشیوی).
اعتبار: © Giovanni Cancemi / Adobe Stock
 

توهمات شبح وار و خوشبختانه نسبتاً نادر هستند. اما یک مطالعه جدید نشان می دهد که سؤال واقعی این نیست که چرا برخی افراد گاهی اوقات آنها را تجربه می کنند. سؤال این است که چرا همه ما همواره در حال توهم نیستیم.
 
در این مطالعه، دانشمندان علوم اعصاب دانشکده پزشکی دانشگاه استنفورد، سلول های عصبی را در قشر بینایی موش ها تحریک کردند تا یک تصویر وهمی را در ذهن حیوان ایجاد کنند. دانشمندان نیاز به تحریک تعدادی که به طور تعجب انگیزی کم بود از سلول های عصبی یا نورون ها برای ایجاد ادراک داشتند، که باعث شد موش ها رفتار خاصی داشته باشند.
 
دکتر کارل دایسروت، استاد مهندسی زیست شناسی و روانپزشکی و علوم رفتاری، گفت: "در گذشته، در سال 2012، ما توانایی کنترل فعالیت نورون های انتخاب شده فردی را در یک حیوان بیدار و هشدار تشریح کرده بودیم." "اکنون، برای نخستین بار، ما قادر بوده ایم که این قابلیت را برای کنترل چندین سلول مشخص شده منفرد در یک زمان پیشرفت دهیم، و یک حیوان را وادار سازیم که چیزی ویژه را، که در واقع وجود ندارد، ادراک کند و مطابق با آن رفتار می کند."
 
این مطالعه، که به صورت آنلاین در مجله ساینس منتشر شد، در بر دارنده دلالت هایی است برای به دست آوردن یک درک بهتر از پردازش اطلاعات طبیعی در مغز، و همچنین اختلالات روانپزشکی مانند اسکیزوفرنی، و اشاره دارد به امکان طراحی دستگاه های پروتز عصبی با وضوح سلول منفرد.
 
دایسِروت نویسنده ارشد این مطالعه است.
 

دایسروت، که یک محقق پزشکی مؤسسه هوارد هیوز و پروفسور DH Chen است، پیشگام اپتوژنتیک است، که فن آوری‌ای است که محققان را قادر می سازد تا نورون های خاصی را در حیوانات آزاد در حال حرکت با پالس های نور تحریک کنند و اثرات منتجه را روی کارکرد مغز و رفتار حیوان مشاهده کنند.
 
در این مطالعه جدید، دایسروت و همکارانش ترکیبی از دو ژن را در تعداد زیادی نورون در قشر بینایی موش های آزمایشگاهی وارد کردند. یک ژن یک پروتئین حساس به نور را رمزدار می کرد که باعث می شد نورون در پاسخ به یک پالس نور لیزر از یک رنگ تعرف شده باریک - در این مورد، در طیف مادون قرمز- برانگیخته شود. ژن دیگر یک پروتئین فلورسنت را رمزدار می کرد که وقتی نورون فعال می شد، سبز می درخشید.
 
دانشمندان با برداشتن بخشی از کاسه سر حیوان،  پنجره هایی جمجمه ای را در موش ها ایجاد کردند تا بخشی از قشر بصری را که در هر دو موش و انسان مسئول پردازش اطلاعاتی است که از شبکیه رله می شود، در معرض قرار دهند. محققان این ناحیه در معرض قرار گرفته را با یک پوشش شیشه ای روشن حفاظت کردند. سپس آنها توانستند از یک دستگاه، که برای مطالعه خود برای برجسته کردن هولوگرام ها – پیکربندی های سه بعدی فوتون های هدفدار – توسعه دادند، رویِ و درونِ قشر بصری استفاده کنند. این فوتون ها در نقاطی دقیق در امتداد نورون هایی خاص فرود می آمدند. محققان می توانستندد فعالیت ناشی از تقریبا تمام نورون های فردی را در دو لایه متمایز از قشر مغزی که حدود 1 میلیمتر مربع گستردگی دارند و حاوی چندین هزار نورون هستند، دیده بانی کنند.
 
سر موش ها در یک موقعیت راحت ثابت شد، و به موش ها سِری هایی تصادفی از میله های افقی و عمودی نشان داده شد که روی یک صفحه به نمایش در آمده بود. محققان مشاهده و ثبت کردند که کدام نورون ها در قشر بیناییِ در معرض قرار گرفته ترجیحاً با یک جهت گیری یا جهت گیری دیگری فعال می شود. از این نتایج، دانشمندان قادر به شناسایی جمعیت های پراکنده از نورون های فردی بودند که به صورت نمایش های بصری افقی یا عمودی کوک شده بودند.
 
سپس آنها توانستند این ضبط ها را به صورت هولوگرام هایی بازپخش کنند که لکه های نور مادون قرمزی را فقط بر روی نورون هایی که به میله های افقی یا عمودی پاسخگو بودند، تولید می کردند. فعالیت عصبی همسوی منتجه، حتی در مکان های نسبتاً دور از نورون های تحریک شده، کاملاً مشابه بود با موردی که هنگامی مشاهده می شد که محرک طبیعی - یک میله افقی یا عمودی سیاه در یک پس زمینه سفید - بر روی صفحه نمایش داده می شد.
 
دانشمندان موشها را تربیت کردند که هنگامی که یک میله عمودی می بینند، اما نه هنگامی که یک میله افقی می بینند یا هیچ کدام را نمی بینند، انتهای یک لوله مجاور را برای آب لیس بزنند. در طول دوره ای چندین روزه، به دلیل بهبود توانایی حیوانات در تشخیص بین میله های افقی و عمودی، دانشمندان به تدریج کنتراست سیاه و سفید را کاهش دادند تا این کار را به طور مداوم سخت تر کنند. سؤال این است که چرا همه ما همواره در حال توهم نیستیم. آنها دریافتند که عملکرد موش ها پرانرژی تر می شد اگر دانشمندان صفحات نمایش بصری را با تحریک اپتوژنتیک همزمان تکمیل می کردند: به عنوان مثال اگر عملکرد یک حیوان در اثر کنتراستِ پایین خراب می شد، محققان می توانستند قدرت های تشخیص او را با تحریک نورون هایی که قبلا اینگونه تعیین هویت شده بودند که ترجیحا مستعد برانگیخته شدن در پاسخ به یک میله افقی یا عمودی هستند، بالا ببرند.
 
این ارتقاء تنها زمانی اتفاق می افتاد که تحریک اوپتوژنتیک با تحریک بصری سازگار بود - به عنوان مثال، یک نمایش میله عمودی به اضافه تحریک نورون هایی که پیش از این اینگونه شناسایی شده اند که احتمالاً در واکنش به میله های عمودی برانگیخته می شوند.
 

هنگامی که موش ها در جداسازی میان میله های افقی و عمودی زبردست شده بودند، دانشمندان قادر بودند رفتار لیس زدن لوله را در موش ها به سادگی با افکندن برنامه هولوگرافیک «عمودی» روی قشر بصری موش ها القا کنند. اما موش ها لوله را لیس نمی زدند اگر به جای آن برنامه «افقی» افکنده می شد.
 
دایسروت گفت: "نه تنها حیوانات همان کار را انجام می دهند، بلکه مغز نیز چنین می کند." "بنابراین ما می دانیم که ما یا در حال بازآفرینی ادراک طبیعی هستیم یا آفرینش چیزی که کاملاً به مقدار زیادی شبیه آن است."
 
منبع: طب استنفورد