الگوگیری‌های متقابل شبکه‌های دیجیتالی و سیستم عصبی

تصویر: تحقیق درباره‌ی ارتباطات دیجیتالی و بیولوژیکی یا زیستی راه گشای پیشرفت در هر دو زمینه است.
 
والدین بارها تجربه کرده‌اند هنگامی که با انگشت کف دست نوزادان را لمس می‌کنند، نوزادان انگشت آن‌ها را می‌گیرند و محکم نگه می‌دارند. این پاسخ آنی در نوزادان یکی از شیرین‌ترین و زیباترین حرکات غیر ارادی است. اعصاب کف دست نوزاد لمس را احساس می‌کنند، اطلاعات لمس را پردازش می‌کنند و سپس بدون نیاز به ارسال پیام به مغز، واکنش نشان می‌دهند. این پاسخ حرکتی در اوایل زندگی به مرور از بین می‌رود اما سیستمی که چنین پاسخی می‌دهد مشابه سیستم شبکه‌های دیجیتالی است که حسگرها، پردازنده‌ها و ماشین آلات را به هم متصل می‌کند و اطلاعات را به حرکت و عمل تبدیل می‌کند.
 محققان از سیستم ایمنی بدن انسان به عنوان الگویی جهت طراحی نرم افزار محافظت از شبکه‌های رایانه‌ای در برابر حملات مخرب استفاده کردند. محققان با مطالعه در مورد سیستم عصبی انسان و شبکه‌های پیشرفته‌ی ارتباط از راه دور، شباهت‌های قابل توجهی بین سیستم عصبی نوزادان و شبکه‌های پاسخ دهنده‌ی سریع پیدا کردند. امروزه استفاده از این شبکه‌های سریع گسترش یافته است و از آن‌ها برای کنترل شبکه‌ای همواره روشن و متصل شامل حسگرها، دوربین‌ها و میکروفون‌ها در منازل، محل کار افراد و اجتماعات استفاده می‌کنند.
 
با استفاده از این شباهت می‌توانیم در آینده به شیوه‌های جدیدی برای طراحی سیستم‌های مخابراتی دست پیدا کنیم و همچنین به منظور تشخیص و درمان اختلالات عصبی مانند بیماری ام اس (مولتیپل اسکلروزیس)، اختلالات طیف اوتیسم و بیماری آلزایمر از روش‌های جدید و پیشرفته‌تری نسبت به گذشته استفاده کنیم.
 

مروری بر سیستم عصبی در انسان

به طور کلی، سیستم عصبی انسان دارای سه بخش اصلی مغز، نخاع و سیستم عصبی محیطی است.
   
تصویر: سیستم عصبی در انسان به صورت شبکه‌ای به هم پیوسته از حسگرها و پردازنده‌ها است.
 
سیستم عصبی محیطی در تمام بدن توزیع و پخش می‌شود، اطلاعات محیطی مانند فشار، گرما و سرما را به عنوان داده‌های ورودی دریافت می‌کند و سپس این اطلاعات را از طریق نخاع به مغز منتقل می‌کند. همچنین این شبکه فرمان‌هایی صادر شده از مغز را کنترل می‌کند و در اعمال غیر ارادی بدن مانند تنفس، هضم غذا و تپش قلب تغییراتی ایجاد می‌کند.
 شاید در آینده تحقیقات پزشکی بتوانند مشکل اختلال در کار بعضی سلول‌های عصبی را حل کنند و راه‌هایی برای تغییر مسیر پیام‌های عصبی از طریق پیوندهای اطراف پیدا کنند.نخاع ورودی‌های حسی و پاسخ‌های حرکتی که بین مغز و بدن در حال جا به جایی هستند را کنترل می‌کند. همچنین حرکات عضلانی غیر ارادی که با استفاده از قوس رفلکسی انجام می‌شوند، توسط نخاع صورت می‌گیرد. نمونه‌ای از این حرکات، رفلکس زانو هنگام معاینه‌ توسط پزشک است که با وارد آمدن ضربه به آن، زانو به سمت بالا حرکت می‌کند. همچنین هنگامی که سطح گرمی را لمس می‌کنیم، به طور غیر ارادی و سریع دست خود را عقب می‌کشیم که این واکنش مثالی از حرکت‌هایی است که توسط قوس رفلکسی و نخاع انجام می‌شود.
 
مغز، مرکز اصلی پردازش سیستم عصبی است و بیشتر پردازش‌های سیستم عصبی در مغز انجام می‌گیرد. در قسمت راست و چپ مغز چندین ناحیه‌ی اختصاصی وجود دارد. این مناطق اطلاعات را از حسگرهای چشم، گوش و پوست دریافت می‌کنند و در پاسخ‌ فرمان‌هایی به صورت افکار، احساسات، خاطرات و دستورهای حرکتی صادر می‌کنند. در بسیاری از موارد، سایر قسمت‌های مغز این پاسخ‌ها را به عنوان داده‌های ورودی برای یاد گیری و اصلاح دریافت می‌کنند.
 
در افراد سالم، این سه قسمت اصلی با ترکیب شبکه‌هایی از سلول‌ها که به مواد شیمیایی خاص، تغییرات مکانیکی، ویژگی‌های نوری، تغییرات دمایی و درد از طریق فرآیندی به نام انتقال حسی پاسخ می‌دهند، در کنار هم با هماهنگی فوق العاده‌ای کار می‌کنند. به دلیل پیچیدگی سیستم عصبی، حتی مطالعه بر روی کوچکترین اجزای سیستم عصبی که فیبر عصبی یا آکسون نام دارد، با چالش‌هایی رو به رو است.
 
برخی ارتباطات درون شبکه‌ی عصبی که تا مدت‌ها تصور می‌شد از نوع فیزیکی هستند، طبق مطالعات جدید ممکن است بدون اتصال فیزیکی بین سلول‌ها (به اصطلاح بی سیم) باشد. سیستم کارکرد طبیعی مغز به این صورت است که یک میدان الکتریکی بسیار تخصصی را در برخی مناطق فیبرهای عصبی ایجاد می‌کند. با اندازه گیری مشخصات این میدان الکتریکی، می‌توانیم تشخیص دهیم مغز سالم است و یا اینکه دچار برخی اختلالات عصبی شده است.
 

شبکه‌های مخابراتی چگونه کار می‌کنند؟

نسل فعلی شبکه‌های پیشرفته‌ی مخابراتی که به 5جی معروف هستند، به صورت بی سیم کار می‌کنند و مشابه سیستم عصبی در انسان، دارای سه جزء اصلی می‌باشند.
 نرم افزارهایی که شبکه‌های بزرگ ابری و مه را مدیریت می‌کنند، قادر به کاهش تقاضا هستند و به این ترتیب تأخیرهای مربوط به ارتباط از راه دور را به کمترین حد می‌رسانند.اینترنت اشیاء معادل الکترونیکی و دیجیتالی سیستم عصبی محیطی در انسان است. اینترنت اشیاء در حقیقت شبکه‌ای گسترده و در حال رشد از دستگاه‌ها، وسایل نقلیه و لوازم خانگی است. این وسایل دارای نرم افزارهای مرتبط با هم هستند که  به آن‌ها امکان تبادل اطلاعات بین یکدیگر را می‌دهند.
 
معادل مغز در دنیای دیجیتال، فضای ابری است که مجموعه‌ای از رایانه‌ها و پردازنده‌های متصل به اینترنت است که اطلاعات را دخیره، مدیریت و پردازش می‌کنند. این رایانه‌ها با همکاری هم مجموعه‌ی بزرگ و پیچیده‌ای از ورودی‌ها را پردازش می‌کنند و سپس خروجی کار را از طریق اینترنت تحویل می‌دهند.
 
همان طور که گفتیم این شبکه دارای 3 جزء است که یک بخش معادل نخاع بین دو بخش دیگر قرار دارد. این بخش حد واسط نوع جدیدی از شبکه به نام "فضای مه" است که در حقیقت نوع مختصر و کم حجم فضای ابری است و برای کوتاه کردن اتصالات شبکه‌ای و کاهش تأخیر در پردازش اطلاعات بین فضای ابری و دستگاه‌های راه دور به کار می‌رود.
وظایفی که نیاز به واکنش سریع دارند توسط پردازنده‌ها و دستگاه‌های ذخیره سازی در فضای مه، انجام می‌شود.
 

شباهت‌های قابل توجه

ظاهراً سازندگان شبکه‌های فنی در دنیای مدرن، به طور ناخودآگاه سیستم عصبی انسان را الگو قرار داده‌اند.
 
به کمک این شباهت‌ها، می‌توانیم از راه‌ حل‌های فنی که برای مشکلات شبکه‌ به کار می‌روند، به منظور درمان اختلالات عصبی که هنوز درمانی برای آن‌ها پیدا نشده است، استفاده کنیم.
 وظایفی که نیاز به واکنش سریع دارند توسط پردازنده‌ها و دستگاه‌های ذخیره سازی در فضای مه، انجام می‌شود.به عنوان مثال، بیماری اوتیسم نوعی اختلال رشد جدی است که توانایی ارتباط و تعامل فرد بیمار با محیط پیرامون خود را تحت تأثیر قرار می‌دهد. اعتقاد بر این است که این اختلال در اثر عدم تعادل بین دو نوع ارتباط عصبی رخ می‌دهد به این صورت که در افراد مبتلا به این بیماری، سلول‌های عصبی محرک سلول‌های دیگر دارای فعالیت بیش از حد هستند و سلول‌های عصبی بازدارنده فعالیت بسیار کمی دارند. این حالت مشابه اتفاقی است که در شبکه‌های مخابراتی رخ می‌دهد و برخی راه‌های ارتباطی دچار اضافه بار می‌شوند در حالی که گروه دیگر اصلاً شلوغ نیستند. نرم افزارهایی که شبکه‌های بزرگ ابری و مه را مدیریت می‌کنند، قادر به کاهش تقاضا هستند و به این ترتیب تأخیرهای مربوط به ارتباط از راه دور را به کمترین حد می‌رسانند. این برنامه‌ها همچنین می‌توانند مانند بیماری اوتیسم باعث عدم تعادل در شبکه شوند و از آن طرف روش‌هایی برای کاهش این اختلال پیشنهاد دهند.
 
بیماری ام اس یا مولتیپل اسکلروزیس نوعی بیماری ناتوان کننده است که در آن سیستم ایمنی بدن به پوشش محافظتی پیرامون رشته‌های عصبی حمله می‌کند و آن‌ را از بین می‌برد. آسیب وارده به سلول‌های عصبی در این بیماری، باعث اختلال در انتقال اطلاعات در مغز و بین مغز و بدن می‌گردد. در دنیای تکنولوژی این اتفاق شبیه به ایجاد وقفه در نقاط ارتباطی مهم  شبکه است که در حالت طبیعی این مناطق دائماً با مسیرهای ارتباطی دیگر در ارتباط و در حال فرستادن پیام هستند. شاید در آینده تحقیقات پزشکی بتوانند مشکل اختلال در کار بعضی سلول‌های عصبی را حل کنند و راه‌هایی برای تغییر مسیر پیام‌های عصبی از طریق پیوندهای اطراف پیدا کنند.
 محققان با مطالعه در مورد سیستم عصبی انسان و شبکه‌های پیشرفته‌ی ارتباط از راه دور، شباهت‌های قابل توجهی بین سیستم عصبی نوزادان و شبکه‌های پاسخ دهنده‌ی سریع پیدا کردند.

استفاده از نرم افزارها و درمان‌های دارویی در کنار یکدیگر

   
تصویر: ارتباطات بین سلول‌های عصبی در بیماری آلزایمر از بین می‌روند.
 
بیماری آلزایمر نوعی زوال عقل است که باعث ایجاد مشکلاتی در حافظه، تفکر و رفتار فرد بیمار می‌گردد. در سال 2015، پژوهشگران با کشف شبکه‌های جدید در مغز دریافتند که بیماری آلزایمر ممکن است مانند بیماری ام اس، نوعی اختلال خود ایمنی باشد و در اثر حمله‌ی سیستم ایمنی به سلول‌های عصبی بدن فرد ایجاد شود. این موضوع نشان می‌دهد که مغز فرد مبتلا به آلزایمر، مانند یک شبکه‌ی مخابراتی است که توسط یک متجاوز مورد حمله قرار گرفته است و در اثر این حمله نه تنها اطلاعات درون شبکه بلکه ساختار آن نیز دچار تغییر شده است.
 سیستم کارکرد طبیعی مغز به این صورت است که یک میدان الکتریکی بسیار تخصصی را در برخی مناطق فیبرهای عصبی ایجاد می‌کند.پس از این کشف، محققان از سیستم ایمنی بدن انسان به عنوان الگویی جهت طراحی نرم افزار محافظت از شبکه‌های رایانه‌ای در برابر حملات مخرب استفاده کردند. از این نرم افزار می‌توانیم برای شبیه سازی پیشرفت بیماری آلزایمر در فرد بیمار استفاده کنیم و به این ترتیب به راه‌هایی برای کاهش اثرات مخرب این بیماری دست یابیم.
 
با توجه به این که در سایر بیماری‌های خود ایمنی مانند دیابت نوع یک و آرتریت روماتوئید نیز سیستم عصبی درگیر می‌شود، می‌توانیم با بهره گیری از این اطلاعات شناخت بیشتری نسبت به شبکه‌های دیجیتالی به دست آوریم و یا این که از حسگرها و نرم افزارها برای کمک به بیماران استفاده کنیم. مدل‌های نرم افزاری با کمک تحقیقات بالینی کاربردی‌تر شده‌‌اند و به محققان برای درک ساختار و عملکرد سیستم عصبی انسان کمک می‌کنند، همچنین از این طریق محققان می‌توانند شبکه‌ها و خدمات ارتباط از راه دور را تبدیل به ساختارهایی سریع‌تر، ایمن‌تر و قابل اطمینان‌تر نمایند.
 به دلیل پیچیدگی سیستم عصبی، حتی مطالعه بر روی کوچکترین اجزای سیستم عصبی که فیبر عصبی یا آکسون نام دارد، با چالش‌هایی رو به رو است.
منبع: سالواتور دومنیک مورگرا، University of South Florida