مغز کم‌مصرف

وقتی کمی گرسنه هستیم، به‌طور معمول مغزمان میزان مصرف انرژی خود را تغییر می‌دهد. انسان‌ها و حیوانات به‌لحاظ تاریخی با دوره‌های طولانی گرسنگی و گاهی گرسنگی فصلی روبه‌رو بوده‌اند، مغز موجودات به‌گونه‌ای رشد کرده تا بتواند در مواقع اضطراری کار کند. اکنون، دانشمندان این فرضیه را مطرح کرده‌اند که آیا مغز ما هم در شرایط اضطراری می‌تواند خودش را در وضعیت کم‌مصرف قرار دهد؟

دانشمندان علوم اعصاب در آزمایشگاه ناتالی روشفور دانشگاه ادینبرو، نوعی استراتژی صرفه‌جویی در مصرف انرژی در سیستم بینایی موش را کشف کردند که نتایج دستاورد آن‌ها، ماه ژانویه در مجله Neuron به چاپ رسید. ناتالی راچفورت، دانشمند علوم اعصاب و نویسنده این مقاله تحقیقاتی به‌همراه همکارانش در آزمایشگاه دانشگاه ادینبورگ، موفق به یافتن الگویی در زمینه حفظ انرژی در سیستم بینایی موش‌ها شده‌اند. آن‌ها کشف کرده‌اند که اگر موش‌ها برای چند هفته کم‌تر غذا بخورند، به‌طوری‌که وزن آن‌ها در شرایط طبیعی و سالم بین 15 تا 20 درصد کاهش پیدا کند، نورون‌های مربوط به قشر بینایی، میزان ATP استفاده ‌شده در سیناپس‌های آن‌ها را به مقدار قابل توجه 29 درصد کاهش می‌دهند. 

حالت جدید پردازش، با هزینه‌ای برای ادراک همراه بود؛ به‌طوری‌که بر نحوه مشاهده جزئیات تاثیر منفی گذاشته بود. از آن‌جایی‌که نورون‌ها در حالت کم‌مصرف، سیگنال‌های بصری را با دقت کمتری پردازش می‌کنند، موش‌هایی که غذای آن‌ها محدود شده بود در وظایف چالش‌برانگیزی که به قوه بینایی نیاز داشت عملکرد بدی داشتند. زاهد پادامسی، یکی از نویسندگان این مقاله پژوهشی در این باره می‌گوید: «وضوح تصویری که در حالت کم‌مصرف مغز مشاهده می‌کنید، کمتر از حالت عادی است».

پژوهش جدید، تحسین دانشمندان علوم اعصاب را به‌همراه داشت، از جمله دانشمندانی که فرآیندهای حسی و شناختی غیرمرتبط با بینایی را مطالعه می‌کنند که میزان و نحوه مصرف انرژی نقش مهمی در آن‌ها دارد. این پژوهش می‌تواند دستاوردهای مهمی برای ما به‌همراه داشته باشد. به‌طور مثال، چگونه سوء‌تغذیه یا حتا برخی رژیم‌های غذایی ممکن است بر ادراک فرد از جهان تاثیرگذار باشند. جالب آن‌که پژوهش فوق، پرسش‌های دیگری را مطرح کرده است. آیا محدودیت غذایی باعث ایجاد انگیزه در حیوانات می‌شود یا خیر. 

غذای کمتر، دقت کمتر

تاکنون به این موضوع فکر کرده‌اید که وقتی گرسنه هستید، نمی‌توانید روی کارتان تمرکز کنید یا تنها چیزی که می‌توانید به آن فکر کنید، غذا است. پژوهشی که چند سال قبل انجام شد، تایید کرد که گرسنگی کوتاه‌مدت می‌تواند پردازش عصبی را تغییر دهد و توجه ما را معطوف به روش‌هایی کند که اجازه می‌دهند در زمان کوتاهی به غذا دست پیدا کنیم.

کریستین بورگس، دانشمند علوم اعصاب دانشگاه میشیگان در سال 2016 به‌همراه همکارانش کشف کرد که وقتی موش‌ها در هنگام گرسنگی تصویری می‌دیدند که یادآور خوراکی‌ها و غذاها بود، ناحیه‌ای از قشر بینایی‌شان فعالیت‌های عصبی بیشتری از خود نشان می‌داد. جالب این‌که بعد از خوردن غذا، میزان این فعالیت کاهش پیدا کرد. به‌طور مشابه، تحقیقات تصویربرداری روی انسان‌ها نشان داد زمانی‌که گرسنه هستند تصاویر غذا واکنش‌های قوی‌ در بخش‌هایی از مغزشان به‌وجود می‌آورد، در حالی‌که بعد از خوردن غذا این واکنش‌ها ضعیف‌تر می‌شوند.

بورگس می‌گوید: «گرسنه باشید یا نباشید، فوتون‌هایی که به شبکیه‌ چشم شما برخورد می‌کنند، یکسان هستند. با این‌حال، بازنمایی آن در مغز متفاوت است، زیرا بدن می‌داند به چیزی نیاز دارید و توجه شما را به‌‌سمتی معطوف می‌کند که پاسخ‌گوی آن نیاز است. پس از چند ساعت گرسنگی چه اتفاقی می‌افتد؟ محققان به این نتیجه رسیدند که مغز راه‌هایی برای ذخیره انرژی دارد و این کار را با متوقف کردن عملکرد فرآیندهایی انجام می‌دهد که به‌شدت انرژی مصرف می‌کنند».

اولین شواهد مستدل در این زمینه در قالب پژوهش تحقیقی که سال 2013 روی مغز خیلی کوچک مگس‌ها انجام شد، به‌دست آمد. پیر ایو پلسی و توماس پریات از مرکز تحقیقات علمی فرانسه و موسسه آموزش عالی شیمی و فیزیک صنعتی پاریس کشف کردند که وقتی مگس‌ها به‌شدت احساس گرسنگی می‌کنند، مسیری در مغزشان فعال می‌شود که با خاموش کردن بخشی از حافظه درازمدت باعث می‌شود تا انرژی کمتری مصرف شود. آن‌ها در این آزمایش‌ها این مسیر را فعال کردند تا مجددا خاطرات شکل بگیرند. بعد از آن، مشاهده شد مگس‌های بسیار گرسنه خیلی سریع‌تر از بین رفتند. نتایج این پژوهش نشان داد که توقف این فرآیند باعث صرفه‌جویی در مصرف انرژی و حفظ زندگی مگس‌ها شده است. 

در آن مقطع زمانی، این موضوع که آیا مغز پستانداران بزرگ‌ که از نظر شناختی پیچیده‌ است، بر مبنای الگوی مشابهی کار می‌کند یا خیر مشخص نبود. همچنین، مشخص نبود که آیا مانند مگس‌ها حالت صرفه‌جویی در مصرف انرژی قبل از گرسنگی شدید فعال می‌شود یا نه. دلیلی وجود داشت که ممکن بود فکر کنیم چنین چیزی ممکن است اتفاق نیفتد. اگر انرژی مصرف‌شده برای پردازش عصبی خیلی زود قطع شود، توانایی حیوان برای یافتن و تشخیص غذا ممکن است در معرض چالش جدی قرار بگیرد. مقاله‌ جدید برای اولین ‌بار به این مسئله می‌پردازد که هنگام کمبود طولانی ‌مدت غذا، مغز از نظر مصرف انرژی چگونه سازگاری پیدا می‌کند. تمرکز پژوهش اول روی اولین حالت بود؛ یعنی نحوه سازگاری مغز برای ذخیره انرژی زمانی‌که غذایی در دسترس نیست و منابع غذایی خیلی کمیاب است.

محققان برای یک بازه زمانی سه هفته‌ای، میزان غذایی که در دسترس گروهی از موش‌ها بود را محدود کردند تا وقتی‌که حدود 15 درصد از وزن‌شان را از دست دادند. محققان قبل از شروع آزمایش به موش‌ها غذا دادند تا مانع تغییرات عصبی کوتاه‌مدت وابسته به گرسنگی شوند که بورگس و گروه‌های تحقیقاتی مشاهده کرده بودند. با این‌حال، موش‌ها به اندازه موردنیاز خود انرژی دریافت نمی‌کردند.

سپس، پژوهشگران ارتباطات بین نورون‌های موش‌ها را زیرنظر قرار دادند. آن‌ها وقتی موش‌ها تصاویری از میله‌های سیاه با زوایای مختلف را می‌دیدند، تعداد جهش‌های ولتاژ را که از طریق تعدادی از نورون‌های قشر بینایی ارسال می‌شدند اندازه‌گیری کردند. نورون‌ها در قشر بینایی اولیه به خطوط با جهت‌گیری‌های ترجیحی پاسخ می‌دادند. به‌طور مثال، اگر جهت‌گیری ترجیحی یک نورون 90 درجه باشد، آن نورون وقتی یک محرک بصری عناصری با زاویه حدود 90 درجه را دریافت می‌کند، اسپایک‌های مکرری ارسال می‌کند. با این‌حال، وقتی زاویه خیلی بزرگ‌تر یا خیلی کوچک‌تر می‌شود، این نرخ کاهش پیدا می‌کند. اسپایک همان ظرفیت عمل است که روی غشای سلول عصبی پدید می‌آید و در طول اکسون حرکت می‌کند و وظیفه‌ پیام‌رسانی را بر‌عهده دارد.

نورون‌ها فقط زمانی می‌توانند اسپایک را ارسال کنند که ولتاژ داخلی آن‌ها به آستانه‌ خاصی برسد که آن‌ها با پمپاژ یون‌های سدیم دارای بار مثبت به داخل سلول به آن دست پیدا می‌کنند، اما پس از اسپایک، نورون‌ها باید تمام آن یون‌های سدیم را به بیرون ارسال کنند. در سال 2001 میلادی، دانشمندان علوم اعصاب متوجه شدند این وظیفه (فرستادن یون‌های سدیم به خارج از سلول) یکی از پرمصرف‌ترین فرآیندهایی است که مغز انجام می‌دهد. 

محققان این فرآیند هزینه‌بر را به‌عنوان نشانه‌ای از ترفندهای ذخیره مصرف انرژی مورد مطالعه قرار دادند و مشخص شد در جای خوبی به دنبال آن هستند. نورون‌ها در موش‌هایی که غذای آن‌ها محدود شده بود، جریان‌های الکتریکی در حال عبور از غشاء و تعداد یون‌های سدیم ورودی را کاهش دادند، پس دیگر احتیاجی به مصرف زیاد انرژی برای خارج کردن یون‌های سدیم نداشتند. وقتی سدیم کمتری وارد می‌شود، می‌توان انتظار داشت که اسپایک‌های کمتری ایجاد شود، اما در کمال تعجب این گروه از موش‌ها درست مانند موش‌هایی که به‌خوبی تغذیه شده بودند نرخ مشابهی از اسپایک را در نورون‌های قشر بینایی حفظ کردند. در نتیجه محققان به‌‌سراغ فرآیندهای جبرانی رفتند که این نرخ را حفظ می‌کرد. آن‌ها موفق به شناسایی دو تغییر شدند که هر دو تولید اسپایک برای نورون‌ها را ساده‌تر می‌کرد. اول از همه نورون‌ها مقاومت ورودی را افزایش دادند که باعث کاهش جریان در سیناپس‌های آن‌ها شد. در کنار آن، ظرفیت استراحت غشاء خود را افزایش دادند، به‌طوری که از قبل به آستانه مورد نیاز برای ارسال اسپایک نزدیک بودند. 

آنتون آرخیپوف، دانشمند علوم اعصاب محاسباتی  موسسه علوم مغز آلن در سیاتل می‌گوید: «به‌نظر می‌رسد مغز تمام تلاش خود را می‌کند تا نرخ شلیک نورون‌ها را حفظ کند. این موضوع نشان می‌دهد حفظ نرخ شلیک اهمیت زیادی دارد، زیرا در این حالت است که مغز می‌تواند با شلیک اسپایک‌های کمتر به ساده‌ترین شکل به حالت صرفه‌جویی در مصرف انرژی وارد شود». با این‌حال، ثابت نگه داشتن نرخ شلیک، هزینه‌هایی دارد. نورون‌های قشر بینایی موش‌ها نمی‌توانستند در برابر جهت‌گیری‌های خطوطی که موجب شلیک آن‌ها می‌شد، انتخابی عمل کنند، از این‌رو، دقت پاسخ آن‌ها کمتر می‌شد.

مشاهده با وضوح پایین

پژوهش‌گران برای این‌که متوجه شوند آیا کم شدن دقت در نورون‌ها روی قوه بینایی تاثیر می‌گذارد، موش‌ها را داخل یک محفظه زیر آبی با دو راهروی مجزا قرار دادند که هر کدام از آن‌ها با یک تصویر از نوارهای سیاه زاویه‌دار روی یک پس‌زمینه سفید علامت‌گذاری شده بود. یکی از راهروها پلتفرم پنهانی داشت که موش‌ها می‌توانستند از طریق آن از آب خارج شوند. آن‌ها یاد گرفتند که پلتفرم مخفی با کدام تصویر از نوارها با یک زاویه خاص در ارتباط است، اما در این بین محققان با بیشتر کردن تشابه زاویه‌ها کار را برای موش‌ها سخت‌تر کردند. وقتی تفاوت بین تصاویر درست و اشتباه زیاد بود، موش‌هایی که غذای کمتری دریافت کرده بودند، بازهم بدون مشکل سکو را پیدا می‌کردند، اما زمانی‌که تفاوت بین زوایا در تصاویر کمتر از 10 درجه شد، موش‌های محروم از غذا دیگر نمی‌توانستند به‌خوبی موش‌های تغذیه‌شده آن‌ها را از هم تشخیص دهند. پیامد صرفه‌جویی در انرژی، دیدی با وضوح کمتر از جهان بود. نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد مغز عملکردهایی حیاتی برای بقا را در اولویت قرار می‌دهد. دانشمندان با یک واقعیت غافل‌گیرانه روبه‌رو شدند؛ مشخص شد اختلالات یادشده در ادراک، مدت‌ها قبل از این‌که حیوان وارد مرحله‌ گرسنگی شدید شود، اتفاق افتاده بودند. 

لیندسی گلیکفلد، دانشمندان علوم اعصاب که روی بینایی در دانشگاه دوک مطالعه می‌کند، در این باره می‌گوید: «برای من شگفت‌انگیز است. سیستم بینایی به طریقی خاص از این تکنیک برای کاهش مصرف انرژی انجام وظیفه ادارکی حیوان استفاده کرده بود تا اندام‌های حیاتی بتوانند به وظایف اصلی خود بپردازند». 

در حال ‌حاضر، این پژوهش به ما اعلام می‌دارد که پستانداران می‌توانند مکانیزم صرفه‌جویی در مصرف انرژی را در نورون‌های قشر بینایی فعال کنند. روشفور می‌گوید: «این احتمال وجود دارد که آن‌چه نشان دادیم، به‌طور مثال در مورد حواس بویایی صدق نکند». با این‌حال، او و همکارانش بر این باور هستند که چنین چیزی به درجات مختلف در دیگر نواحی قشر مغز اتفاق می‌افتد. پژوهش‌گران دیگر نیز بر این باور هستند. ماریا گفن، دانشمند علوم اعصاب دانشگاه پنسیلوانیا که روی پردازش شنوایی مطالعه می‌کند، در این باره گفته است: «به‌طور‌ کلی، نورون‌ها در کل نواحی قشری عملکرد مشابهی دارند». 

گفن بر این باور است که اثرهای صرفه‌جویی در مصرف انرژی بر ادراک، در تمامی حواس یکسان است و فعالیتی که در آن لحظه برای ارگانیسم مفیدتر است، فعالیت‌های دیگر را کاهش دهد. گفن می‌گوید: «بیشتر مواقع از حواس خود به‌شکل حداکثری استفاده نمی‌کنیم. بسته به نیازهای رفتاری، مغز همیشه در حال تنظیم کردن حواس است». 

جالب آن‌که، ضعفی که در حالت کم‌مصرف مغز پدیدار می‌شود، دائمی نیست. هنگامی که پژوهش‌گران به موش‌ها یک دوز هورمون لپتین دادند که بدن از آن برای تنظیم تعادل انرژی و سطوح گرسنگی استفاده می‌کند، کلیدی را پیدا کردند که حالت صرفه‌جویی در مصرف انرژی را روشن و خاموش می‌کند. نورون‌ها با دقت زیاد به جهت‌گیری‌ ترجیحی خود پاسخ دادند و نقایص ادراکی آن‌ها رفع شد. تمامی این اتفاق‌ها بدون این‌که موش‌ها غذا بخورند، به‌وجود آمد. روشفور در این باره می‌گوید: «وقتی لپیتن در اختیار سلول‌ها قرار می‌گیرد، این امکان وجود دارد تا مغز را فریب داد و عملکرد قشر مغز را بازیابی کرد».

با توجه به این‌که لپتین از طریق سلول‌های چربی آزاد می‌شود، پژوهشگران معتقد هستند حضور این هورمون در جریان خون احتمالا به مغز سیگنال می‌دهد که حیوان در محیطی قرار دارد که غذا فراوان است و به صرفه‌جویی در مصرف انرژی نیازی نیست. پژوهش جدید نشان می‌دهد سطوح اندک لپتین مغز را از وضعیت سوء‌تغذیه بدن آگاه و حالت کم‌مصرف مغز را فعال می‌کند. یافته‌های جدید این فرضیه را مطرح می‌کنند که ممکن است بخش عمده‌ای از دانشی که در مورد نحوه‌ عملکرد مغز و نورون‌ها به‌دست آورده‌ایم، در شرایطی به‌دست آمده باشند که مغز موجودات ناخواسته در حالت کم‌مصرف قرار داشته است. روشفور در این باره می‌گوید: «این مطالعه نشان می‌دهد محدودیت‌های غذایی بر عملکرد مغز تاثیرگذار هستند. تغییرات مشاهده‌‌شده در جریان یون‌ها می‌تواند برای فرآیندهای یادگیری و حافظه مهم باشد، زیرا آن‌ها به تغییرات خاصی وابسته‌اند که در سیناپس‌ها اتفاق می‌افتد». گلیکفلد می‌گوید: «اگر بخواهیم پرسش‌هایی درباره‌ حساسیت ادراک حیوان یا حساسیت نورون‌ها مطرح کنیم، باید درباره‌ نحوه‌ طراحی آزمایش‌ها و نحوه‌ تفسیر آن‌ها وسواس زیادی به خرج دهیم».

علاوه بر این، نتایج پژوهش فوق پرسش‌های جدیدی درباره‌ نحوه‌ تاثیرگذاری سایر حالت‌های فیزیولوژیکی و سیگنال‌های هورمونی بر مغز و این‌که آیا سطوح متفاوت هورمون‌ها در جریان خون ممکن است باعث شوند که افراد جهان را متفاوت ببینند یا خیر، ایجاد می‌کند. رون نگوین راسموسن، دانشمند عصب‌شناس دانشگاه کپنهاگ به این نکته اشاره دارد که افراد به‌لحاظ لپتین و پروفایل متابولیک با یک‌دیگر تفاوت‌هایی دارند. به‌‌نظر قابل باور می‌رسد که ادراک‌ بصری آگاهانه موش‌ها تحت‌ تاثیر محرومیت غذایی قرار گرفته باشد، زیرا تغییراتی در بازنمایی‌های عصبی آن ادراکات و نیز در رفتار حیوانات دیده ‌شد. راسموسن می‌گوید: «نمی‌توانیم با صراحت در این باره اظهار نظر کنیم. تنها در صورتی قادر به اظهار نظر در این زمینه هستیم که حیوانات بتوانند تجربیات بصری کیفی خود را برای ما توصیف کنند و بدیهی است که آن‌ها نمی‌توانند چنین کاری انجام دهند».

تا این لحظه هیچ دلیلی وجود ندارد تا فکر کنیم حالت کم‌مصرفی که توسط نورون‌های قشر بینایی مغز در موش‌ها فعال می‌شود و تاثیری که روی ادراک دارند متفاوت از انسان‌ها و سایر پستانداران باشد. به همین دلیل این احتمال وجود دارد که سیستم عصبی انسان‌ها و سایر پستانداران عملکرد مشابهی داشته باشند.