رمزگشایی از ذهن با مطالعه سیم‌کشی‌های مغز در سطح نانو

 

تصور ما این است که جواب این سوال که مغز انسان چگونه رشد می‌کند و چه اتفاقی می‌افتد که یک کودک به انیشتن و دیگری به گاندی تبدیل می‌شود احتمالا باید در نقشه اتصالات نورون‌های آن‌ها باشد. در واقع تفاوت بین الگو‌های سیناپس‌های نورون‌ها است که انسآن‌ها را از یکدیگر و از سایر جانداران متمایز می‌کند. مغز هر شخص مثل دانه‌های برف که هرکدامشان شکلی منحصر به فرد دارد نسبت به مغز دیگری متفاوت است. این تفاوت‌ها به دلیل تجربیات مختلفی است که افراد مختلف پشت سر گذاشته‌اند، اما اگر به مثال دانه‌های برف برگردم باید بگویم که در میان همین دانه‌های برفی که ظاهرا با هم متفاوتند، یک شباهت ساختاری اساسی وجود دارد و آن این است که همه آن‌ها از شش بازوی اصلی ساخته شده‌اند و ساختار‌های متفاوت بعدی بر روی آن شش بازو شکل می‌گیرد. در مورد مغز هم همین‌طور است ما می‌خواهیم با مقایسه مغز‌های مختلف در ابعاد نانومتر به این اشتراکات یا تفاوت‌های اصلی پی ببریم.

در سال ۱۳۶۸ برای اولین بار جان وایت از کانکتوم کرم سی-الگانس که ۳۰۲ نورون دارد به طور کامل نقشه برداری کرد. بعد از آن سایر دانشمندان کانکتوم مگس سرکه و بخش‌هایی از مغز موش را تهیه کردند. چرا با گذشت حدود چهل سال از نقشه برداری از سیستم عصبی کرم سی‌-الگانس هنوز نقشه‌ای از کانکتوم مغز انسان تهیه نشده است؟

در جواب شما باید بگویم برای این که بتوانیم تصویر دقیقی از سیناپس سلول‌های عصبی بدست آوریم بهترین بزرگنمایی عکسبرداری در مقیاسی حدود ۱۰ نانومتر است. عکس برداری از یک میلی‌متر مکعب از مغز موش با این دقت حدود هزار ترابایت داده تولید می‌کند. با توجه به این که حجم مغز انسان هزار برابر بزرگ‌تر از مغز موش است داده حاصل از عکسبرداری از مغز انسان با دقت نانومتر هزار برابر خواهد شد که عدد بسیار بزرگی است. اگر بخواهم دقیق‌تر بگویم این طور تخمین زده می‌شود که در مغز انسان صدمیلیون نورون وجود دارد که هر کدام ده‌هزار سیناپس با دیگر نورون‌ها برقرار می‌کنند پس ما نهایتا باید یک تریلیون سیناپس را ثبت کنیم. به همین دلیل ما به فناوری نیاز داشتیم تا برای ذخیره و تحلیل این داده‌ها به اندازه کافی قدرتمند و پیشرفته باشد.

در سالی که گذشت شما و گروهتان برای اولین بار از کل مغز موش عکسبرداری کردید که نتایج آن در خرداد ۱۴۰۰ در مجله NeuroImage منتشر شد، با توجه به اینکه حجم بالای داده‌ها یکی از بزرگترین چالش‌های شما بوده است چطور توانستید این محدودیت را پشت سر بگذارید؟

نورون‌های پستانداران در سطوح مختلفی از بزرگنمایی قابل ردیابی هستند. این سلول‌ها در ابعاد میلی‌متر تا سانتی‌متر در نواحی مغزی فعالیت دارند و آکسون‌های میلین‌دار آن‌ها ابعادی حدود میکرومتر دارند. این نورون‌ها نهایتا سیناپس‌هایی در ابعاد نانومتر را شکل می‌دهند. ثبت هریک از این بخش‌ها که در بزرگنمایی‌های مختلف قابل روئیت‌اند نیازمند روش‌های عکسبرداری مختلف است. زیرا ما به دلیل حجم بالای داده قادر نبودیم از کل مغز موش در بزرگنمایی نانومتر عکسبرداری کنیم از تکنیک تصویربرداری دیگری استفاده کردیم. تکنیکی به نام میکروسیتی که تصاویری با بزرگنمایی میکرومتر تهیه می‌کند به این ترتیب حجم داده‌های حاصل از تصویر برداری مغز موش بسیار کمتر شد. ما در این فرآیند اول از کل مغز موش با روش میکروسیتی تصویر برداری می‌کنیم و سپس قسمت‌هایی که به نظرمان از نظر ارتباطی مهم‌تر و جالب‌تر هستند را مشخص کرده و دوباره از همان قسمت از همان نمونه مغزی به کمک میکروسکوپ الکترونی و در ابعاد نانومتر تصویر برداری می‌کنیم یعنی از یک بافت با دو روش مختلف با دو بزرگنمایی متفاوت عکسبرداری می‌کنیم.

روش کار میکروسیتی به چه شکل است و با سی‌تی‌اسکنی که در حوزه پزشکی استفاده می‌شود چه تفاوتی دارد؟

میکروسیتی تصاویری با دقت میکرومتر تهیه می‌کند. در این روش به کمک یک منبع فوتون پیشرفته که سینکوتروم نام دارد با شتاب دادن به الکترون حول یک حلقه، اشعه ایکس‌ری پر انرژی تولید می‌شود. این تشعشعات پرانرژی رزولوشنی حدود یک میکرون یا کمتر از میکرون دارند و مانند اشعه ایکس که در عکسبرداری پزشکی استفاده می‌شود عمیقا در بافت نفوذ می‌کند. تفاوت آن با سی‌تی اسکن پزشکی این است که که این تشعشعات انرژی بیشتری دارند پس نمی‌توان آن را بر روی فرد زنده استفاده کرد، ولی تصاویری با وضوح و دقت بسیار بیشتری نسبت به تصاویر سی‌تی اسکن پزشکی به ما می‌دهند.

آیا عکس‌برداری با میکروسیتی نسبت به سایر روش‌های عکس برداری برتری خاصی دارد؟

تا پیش از این عکسبرداری به کمک اِم‌آرای و الکترون میکروسکوپی روش مرسوم بود که اِم‌آر‌آی تصاویری با دقت حدود میلی‌متر و میکروسکوپ الکترونی تصاویری با دقت نانومتر تهیه می‌کند. ما در این پروژه با اضافه کردن تصاویر میکروسیتی که دقتی حدود میکرومتر دارند توانستیم فاصله بین تصاویر ام‌آرآی و الکترون میکروسکوپی را پر کنیم. حال ما می‌توانیم از تصاویر میلی‌متری به تصاویر نانومتری پل بزنیم، چون تصاویر میکروسیتی دقتی در حدود میکرومتر دارند که با مقایس‌های کوچکتر و بزرگتر از میکرومتر همپوشانی پیدا می‌کند. در نتیجه ما می‌توانیم در طول یک نورون که ابعاد مختلفی دارد سفر کنیم و همین‌طور مغز را در مقیاس‌های مختلف بررسی کنیم. چرا که برخی سوالات درباره کارکرد نواحی مختلف مغز می‌باشند مثلا سمت چپ مغز چه طور با سمت راست آن ارتباط برقرار می‌کند. برخی سوالات در ابعاد نورونی وجود دارند مثلا دو نورون چه گونه با هم ارتباط برقرار می‌کنند. زیرا ما نمی‌دانیم در چه سطحی اتفاقات مهم مثل شناخت، خلاقیت و ... در مغز رخ می‌دهد باید سعی کنیم بتوانیم مغز را در تمام مقیاس‌ها بررسی کنیم. با این روش می‌توانیم آکسون‌های میلین‌داری را که به کمک اِم‌آر‌آی پیدا کرده بودیم ردیابی کنیم و یا نورون‌ها و عملکرد آن‌ها را در سطح کل مغز بررسی کنیم و سیناپس‌هایی که در ابعاد نانومتر هستند را همگی در یک بافت واحد شناسایی کنیم.

مزیت دیگر تصویربرداری به روش میکروسیتی عمق بالای نفوذ اشعه ایکس است. زیرا تشعشات خارج شده از سینکوتروم بسیار پرانرژی هستند به راحتی در عمق بافت نفوذ می‌کنند. به همین دلیل در این روش نیاز به برش زدن نمونه نیست؛ پس یک روش غیرمخرب محسوب می‌شود که ما را قادر می‌سازد از کل مغز بدون ایجاد برش در مدت زمان بسیار کوتاهی عکس بگیریم؛ و در قدم بعدی با برش‌زدن همان مغز آن را برای بررسی با میکروسکوپ الکترونی آماده کنیم.

پس ابتدا پیش از برش زدن مغز از آن به طور کامل با میکروسیتی عکس می‌گیرید و بعد با الکترون میکروسکوپی از همان مغز عکس‌های دقیق‌تر تهیه می‌کنید، اما تصویربرداری با میکروسکوپ الکترونی به چه شکل انجام می‌شود؟

دقیقا، برای این که قادر باشیم چنین برنامه‌ای را عملی کنیم نیاز است از روشی استفاده کنیم که بتوانیم نمونه را برای هر دو شیوه عکسبرداری یعنی میکروسیتی و مطالعه با میکروسکوپ الکترونی آماده کنیم. ما ابتدا نمونه را با الدهایت تثبیت می‌کنیم به این ترتیب تمام ساختار‌های مغزی آن ثابت باقی می‌مانند و بعد مغز را از بدن این حیوانات خارج می‌کنیم سپس آن را با فلزات سنگینی مانند آزمیم، اورانیوم و سرب لکه‌گذاری می‌کنیم. زیرا این عناصرند که کنتراست لازم برای عکسبرداری به روش الکترون میکروسکوپی و میکروسیتی را فراهم می‌کنند. سپس نمونه را به اپوکسی رزین که نووعی پلاستیک است آغشته می‌کنیم.

چرا نمونه باید به ماده‌ای پلاستیکی آغشته شود؟

نکته مهم این است که گرچه تصاویر حاصل از الکترون میکروسکوپی وضوح بسیار بالایی دارد، اما چون الکترون‌ها به سرعت پراکنده می‌شوند نمی‌توانند به عمق بافت نفوذ کنند. الکترون‌ها حتی در نمونه‌ای که ضخامت آن یک میکرون است پس از ورود به لایه‌های اولیه به راحتی پراکنده می‌شوند و به لایه‌های پایانی نمی‌رسند. پس برای اینکه الکترون‌ها بتوانند کامل در نمونه نفوذ کنند باید برش‌های نازکی به ضخامت نانومتر تهیه کنیم. به همین دلیل آغشته‌کردن نمونه‌ها به این مواد پلاستیکی ضروری است، زیرا ما را قادر می‌سازد برش‌هایی با ضخامت ۳۰ تا ۲۰ نانومتر روی نمونه بزنیم.

برای برش زدن نمونه‌ها شما دستگاه برش جدیدی را طراحی کردید در مورد روش کار این دستگاه و تفاوت آن با نمونه‌های قبلی توضیح می‌دهید؟

برای مغز موش ما به حدود دو تا سه هزار برش با ضخامت نانومتر نیاز داریم و قطعا ما این کار را صرفا یک بار و برای یک مغز موش انجام نمی‌دهیم. پیش از این روش مرسوم این گونه بود که نمونه‌ها پس از برش خوردن در آب غوطه‌ور می‌شدند و آزمایشگر باید نمونه‌های برش خورده را که بسیار کوچک بودند با دست جمع‌آوری می‌کرد که روشی بسیار زمان‌بر و با دقت پایین بود. پس ما لازم دانستیم به عنوان اولین قدم این فرآیند را به شکل خودکار درآوریم. ما در این ماشین در زیر تیغه الماسی یک صفحه متحرک کارگذاری کردیم که نمونه بعد از برش خوردن مسقیما بر روی این کمربند می‌نشیند و با حرکت خودکار کمربند به جلو آورده می‌شود و نمونه بعدی که برش می‌خورد در جای خالی پشت آن قرار می‌گیرد. به این شکل نمونه‌ها به ترتیب لایه لایه پشت سرهم قرار می‌گیرند. سپس نمونه‌های برش خورده که روی نوار‌های مخصوصی جای گرفته‌اند روی صفحه‌های سیلیکونی حلقوی قرار می‌گیرند. این حلقه‌های سیلیکونی وارد میکروسکوپ الکترونی می‌شوند و از آن‌ها تصویربرداری می‌شود.. این تصاویر به کمک رایانه به هم الصاق می‌شوند و نهایتا یک تصویر سه بعدی از مغز را شکل می‌دهد. تصاویری با وضوح بسیار بالا به دقت نانومتر که سیناپس‌هایی که هر نورون می‌سازد را می‌توان در آن شناسایی کرد.

درماشین برشی که شما طراحی کردید از تیغه الماس برای برش نمونه استفاده می‌کنید. چرا تیغه الماس را انتخاب کردید و نه تیغه شیشه‌ای یا حتی برش با لیزر؟

تیغه شیشه‌ای و تیغه الماس هر دو به یک اندازه تیز هستند و هر دوی آن‌ها از لیزر‌های کنونی تیزترند. این تیغه‌ها معمولا به‌قدری تیزند که با آن‌ها حتی می‌توان نمونه را به ضخامت یک اتم برش داد. تیغه الماس از این جهت نسبت به تیغه شیشه‌ای برتری دارد که در برابر سایش و کندشدن مقاومت بیشتری دارد؛ یعنی تعداد دفعات بیشتری می‌توان نمونه را با آن برش زد پیش از آن که کند شود و نیاز باشد تیغه را عوض کرد.

ما در تلاشیم تا به‌روزرسانی‌های دیگری را روی این دستگاه انجام دهیم تا پیشرفته‌تر شود، اما در حال حاضر این فناوری به شکل تجاری درآمده و سایر زیست‌شناسان هم به این فناوری دسترسی دارند.

با توجه به اینکه حجم داده‌های حاصل از میکروسیتی بسیار کمتر از الکترون میکروسکوپی است، چرا تصویربرداری از کل مغز انسان به روش میکروسیتی تا به امروز انجام نشده است؟ چه موانعی بر سر راه شما وجود دارد؟

بله نه‌تن‌ها حجم داده کمتر خواهد بود بلکه با مقایسه حجم مغز موش نسبت به مغز انسان تخمین می‌زنیم فرآیند عکسبرداری از کل مغز انسان با میکروسیتی احتمالا حدود یک هفته زمان ببرد، زیرا تصویربرداری از کل مغز موش با میکروسیتی حدود شش ساعت زمان برد و ده ترابایت داده تولید شد. اما در مورد مغز انسان چند مانع مهم بر سر راه ما وجود دارد. اول اینکه ما به یک مغز دست نخورده و تازه برای عکسبرداری نیاز داریم، ولی انجام این کار با نمونه‌های انسانی سخت است، زیرا ما باید اغلب چند ساعت پس از مرگ فرد برای دریافت مغز منتظر بمانیم که این وقفه کیفیت نمونه را کاهش می‌دهد. دلیل دیگر این است که ما برای لکه‌گذاری کل مغز انسان که حجم بزرگی دارد به روش جدیدی نیاز داریم. در واقع می‌توانیم از آن عکس بگیریم، اما لکه‌گذاری نمونه‌ای بزرگ‌تر از سه سانتی‌متر مکعب با فلزات سنگین بدون تخریب و برش زدن بافت، کار آسانی نیست و چالشی است که ما با آن روبرو هستیم. در آخر اینکه ما به یک برنامه برای داده‌های خود نیاز داریم. در حال حاضر هنوز با داده‌های حاصل از عکسبرداری از مغز موش سروکله می‌زنیم. این در حالی است که مغز انسان هزار بار بزرگ‌تر است و در نهایت هدف این است که بتوانیم داده‌هایی را که جمع‌آوری کرده‌ایم تحلیل کنیم.

با توجه به موانع و پیچیدگی‌هایی که شما به آن اشاره کردید راه بسیاری تا دست‌یابی به کانکتوم کامل مغز انسان باقی مانده است. اما در نهایت دستیابی به کانکتوم انسان چه فایده‌ای می‌تواند داشته باشد؟

من فکر می‌کنم نتیجه این نقشه‌برداری در حوزه‌های مختلف به ما نفع برساند. برای مثال در حوزه هوش مصنوعی، اگرچه هوش مصنوعی بسیار پیشرفت کرده و ما اخباری را می‌شنویم که هوش مصنوعی قهرمان شطرنج یا سایر بازی‌های فکری را شکست داده است، اما واقعیت این است که هوش مصنوعی هنوز از توانایی‌های مغز انسان بسیار عقب است. من امیدوارم با کمک این نقشه مغزی بتوانیم از برخی توانایی‌های مغز انسان مثل خلاقیت، همدردی، شوخ‌طبعی و... رمزگشایی کنیم و نمود فیزیکی آن‌ها را در نورون‌ها کشف کنیم به این شکل می‌توانیم این ویژگی‌ها را تبدیل به الگریتم‌های رایانهی کنیم و از آن‌ها بهره‌مند شویم. مورد دیگری که می‌توانم به آن اشاره کنم این است که مغز همه ما انسآن‌ها با حدود ۲۰ وات انرژی فعالیت می‌کند. این در حالی است که چراغی که اتاق شما را روشن می‌کند چیزی حدود ۶۰ وات انرژی استفاده می‌کند. من از همکارانم در آزمایشگاه ملی برق آرگان یادگرفته‌ام که در آینده درصد رو به رشد هزینه مصرفی انرژی مربوط به سوخت نخواهد بود بلکه انرژی لازم برای بارگذاری و بارگیری اطلاعات در اینترنت خواهد بود؛ پس ما اگر بفهمیم که مغز انسان چگونه می‌تواند تنها با مصرف ۲۰ وات انرژی، محاسبات پیچیده و انتقال داده را انجام دهد این یافته می‌تواند به ما به طور قابل توجهی در حل بحران انرژی در آینده کمک کند.

فکر می‌کنید دستیابی به نقشه‌ای از سیم‌کشی نورنی مغز انسان در آینده بتواند در حوزه سلامت روان به کمک روانپزشکان بیاید؟

بله البته! مورد دیگری که دستیابی به کانکتوم مغز انسان می‌تواند در آن برای ما سودمند باشد بیماری‌های اعصاب و روان است. در مورد بسیاری از بیماری‌های روحی ما نمی‌دانیم دلیل و منشاء این بیماری‌ها دقیقا چیست. گاهی درمان دارویی برخی از این بیماری‌ها مثل افسردگی به شکل تجربی صورت می‌گیرد، چون ما دقیقا نمی‌دانیم مشکل از کجاست و صرفا به کمک تجربه فهمیده‌ایم که برخی دارو‌ها در برطرف کردن علائم این بیماری می‌توانند کمک کننده باشند. این در حالی است که امروزه حدس زده می‌شود بعضی از بیماری‌ها مثل اوتیسم یا اسکیزوفرنی در اثر سیم‌کشی غلط نورون‌های مغزی ایجاد می‌شوند. اما حتی در این موارد هم ما نمی‌دانیم دقیقا این اتفاق در کجای مغز رخ می‌دهد. پس اگر ما یک نقشه از یک مغز بدون اسکیزوفرنی داشته باشیم و آن را با مغز یک فرد دارای اسکیزوفرنی مقایسه کنیم می‌توانیم بفهمیم این بیماری در سطح سلولی به چه شکل ایجاد می‌شود و نتیجتا می‌توانیم روش‌های کارآمدتری را برای درمان چنین بیماری‌هایی ارائه کنیم. جالب است به شما بگوییم که برخی رفتار‌ها که از نظر ما در سنین کودکی طبیعی قلمداد می‌شوند در بزرگسالی می‌توانند نشانه یک بیماری روانی باشد. مثلا همه ما کودکانی را دیده‌ایم که با دوستی خیالی حرف می‌زنند، اما اگر فردی بزرگسال دوستی خیالی داشته باشد و با آن حرف بزند حدس می‌زنیم که آن فرد احتمالا مشکل اسکیزوفرنی داشته باشد. این مثال در ذهن من این سوال را ایجاد می‌کند که آیا ممکن است برخی از بیماری‌هایی که ما به عنوان بیماری روان می‌شناسیم صرفا به دلیل عدم توسعه مغز و در اثر خودداری مغز از بزرگ شدن اتفاق افتاده باشند؟ همه این‌ها سوال‌ها و مثال‌هایی هستند که با داشتن نقشه‌ای از ارتباطات نورنی مغز انسان می‌توان به آن‌ها پاسخ داد.

در نهایت این حجم از اطلاعات قرار است در اختیار چه کسی قرار بگیرد و با توجه به بزرگی مغز انسان و در نظر گرفتن محدودیت‌هایی که به آن اشاره کردید بر اساس چه الویتی ناحیه‌های مغزی هدف را برای عکس‌برداری انتخاب می‌کنید؟

واقعیت این است که من هدف اصلی خودم را صرفا تهیه این اطلاعات می‌دانم و نه تحلیل یا استفاده از آنها؛ زیرا این کار به قدر کافی چالش برانگیز و وقت‌گیر است. ولی در جواب شما باید بگویم ما رویکرد‌های مختلفی برای استفاده از این داده‌ها داریم؛ یکی این‌که از سایر پژوهشگران پرسیدیم که در حال حاضر بر سر چه مسائلی کار می‌کنند و در واقع سعی می‌کنیم با تهیه نقشه کانکتوم در مناطقی از مغز که مورد نیاز آن‌ها است داده‌های ضروری را برای آن‌ها تهیه کنیم؛ تا با تحلیل آن‌ها به حل سوالات علمی خود بپردازند. درنتیجه سوالات و الویت‌هایی که آن‌ها مطرح می‌کنند به مناطقی که ما برای عکس‌برداری انتخاب می‌کنیم جهت و الویت می‌دهد.
رویکرد دیگری که داریم این است که داده‌هایی را که به مرور جمع می‌کنیم در اختیار عموم بگذاریم تا دانشمندان سراسر دنیا بتوانند با توجه به نیاز خود از این داده‌های علمی در پژوهش‌های خود استفاده کنند بدون اینکه ما از سوالات آن‌ها خبر داشته باشیم. باید اضافه کنم به این منظور تمام این داده‌ها در حال حاضر در سایت neurodata.io در دسترس است.

قدم بعدی در آزمایشگاه شما چه خواهد بود؟ می‌خواهید از مغز کدام گونه با میکروسکوپی الکترونی تصویربرداری کنید و به طور خاص کدام ناحیه از مغز آن‌ها را؟

پروژه بزرگ بعدی ما بررسی این مسئله است که مغز چگونه توسعه پیدا می‌کند؟ تمرکز ما بر روی قشر مغز خواهد بود. ما قصد داریم قشر مغزی را در جانداران مختلف از جمله نخستیان (piramite) غیر انسان و موش را با هم مقایسه کنیم.

چرا قشر مغزی؟

علت تمرکز ما بر روی قشر مغز این است که این ناحیه در طول سیر تکامل افزایش چشمگیری در میان گونه‌های مختلف از جمله موش تا انسان داشته است. پیش‌تر از ما در دانشگاه شیکاگو دکتر پیتر‌هاتنلاکر از پیشگامان علوم اعصاب شناختی و تکاملی، مطالعات جالبی در این زمینه انجام داده بود. ایشان این نظریه را مطرح کرد که تعداد اتصالات بین نورون‌های مغزی با بالارفتن سن کاهش می‌یابد، ولی آنچه که او در آن زمان انجام نداده بود مقایسه تغییرات تعداد سیناپس‌های مغزی در طول عمر جانداران گونه‎های مختلف و مقایسه آن‌ها با یکدیگر بود. آنچه در این آزمایشگاه برای ما قابل توجه است تهیه نموداری مشابه نمودار هاتنلاکر در میان گونه‌های مختلف جانوری و درمیان نواحی مختلف مغزی است تا ببینیم آیا می‌توان نتایج این نمودار را به صورت یک اصل بیان کنیم یا خیر. یک مثال از این موضوع بررسی توانایی دیدن است. این ایده وجود دارد که دیدن تصاویر و پردازش ابتدایی آن‌ها در قسمت عقبی مغز صورت می‌گیرد و در سنین پایین‌تری توسعه پیدا می‌کند، اما با افزایش سن توانایی تمایز تصاویر اشخاص مختلف و رنگ‌ها در قسمت جلویی مغز صورت می‌گیرد و این فرآیند با تاخیر نسبت به سال‌های اولیه تولد اتفاق می‌افتد. من معتقدم اگر ما چگونگی ایجاد و رشد و توسعه چنین فرآیند‌هایی را بفهمیم و گونه‌های مختلف را با هم مقایسه کنیم می‌توانیم به پاسخ این سوال دست یابیم که انسان بودن به چه معنی است و مغز انسان به چه دلیل قابلیت‌های ویژه‌ای دارد که آن را از سایر موجودات متمایز می‌کند.

چه ابزار‌هایی را آزمایشگاه انرژی آرگان در اختیار شما گذاشته است؟

آرگان یک آزمایشگاه ملی است که دپارتمان انرژی آمریکا آن را تامین مالی می‌کند. اینطور بگوییم که وقتی شما قصد دارید یک تریلیون گیگابت داده را جمع آوری کنید مکان‌های زیادی نیستند که این امکان را برای شما فراهم کنند. اما خوشبختانه در آرگان به این عدد‌های بزرگ عادت دارند. آزمایشگاه آرگان به یکی از بزرگ‌ترین و قوی‌ترین رایانه‌های جهان مجهز است. ما همچنین به سریع‌ترین میکروسکوپ الکترونی و یکی از پیشرفته‌ترین نمونه‌های سینکتروم ایکس-ری جهان در این مرکز دسترسی داریم. وجود این ابزارهاست که پروژه ما را عملی کرده است..

در واقع تنها راهی که ما می‌توانیم به کمک آن، این حجم از داده را تحلیل کنیم این است که الگوریتمی طراحی کنیم که بتواند آنچه انسان در این داده‌ها می‌بیند را ببیند؛ و گوگل به واسطه برنامه‌های قبلی خود مثل ماشین‌های خودران و یا الگوریتم‌های تشخیص چهره در حوزه یادگیری ماشینی و هوش مصنوعی تجربه بسیار زیادی دارد. یکی از همکاران من مهندسان گوگل را قانع کرد که اگر بتوانند مسئله تحلیل داده‌های ما را حل کنند، حل هر مسئله دیگری در این زمینه برایشان ممکن می‌شود. آن‌ها در حال حاضر بهترین الگوریتم جهان را برای آنالیز داده دارند و اینکه هر ساله بیشتر به حوزه علوم پزشکی نزدیک می‌شوند.

همان طور که گفتید حجم داده‌های حاصل از تصویربرداری در مقیاس نانو بسیار زیاد است و از شما در مصاحبه دیگری شنیدم که گفتید «حتی اگر تمام افراد زنده زمین شروع به تحلیل این داده‌ها کنند بازهم پیشرفت محسوسی در تحلیل داده‌ها نخواهیم دید.» سپاستین سونگ از همکاران شما در دانشگاه پرینستون بازی علوم شهروندی به نام آی‌وایر (Eye wire) برای تحلیل داده‌های کانکتوم طراحی کرده است تا شهروندان بتوانند در تحلیل این داده‌ها به دانشمندان کمک کنند. چنین برنامه‌ای چگونه می‌تواند به شما در تحلیل داده‌ها کمک کند؟

من فکر می‌کنم هیچ شخصی باور ندارد که بتوان نورون‌های مغزی یک جاندار را فقط به کمک انسان‌ها ردیابی کرد. در این شرایط ما به الگوریتم‌های خودکار نیاز داریم که بتوانند با دقتی مثل دقت انسان شروع به تحلیل داده کنند. اما در این حالت هم خطا‌هایی در تحلیل پیش می‌آید. پس ما به قدرت مغز انسان نیاز داریم تا این خطا‌ها را بررسی کند. در اینجا شهروند دانشمند به کمک ما می‌آید و با استفاده از برنامه‌ای مثل آی‌وایر به بررسی این خطا‌ها طی بازی می‌پردازد. در واقع شهروندان با تصحیح خطا‌های الگوریتم‌ها به پیشرفت این الگوریتم‌ها کمک می‌کنند.

شما در مصاحبه دیگری گفته بودید به عنصر غافلگیری در تحقیقات خود بسیار علاقه‌مندید. تا به امروز طی عکسبرداری‌هایی که انجام دادید به چه یافته‌ای برخورده‌اید که شما را غافلگیر کند؟

ما با مقایسه مغز نخستیان و جوندگانی مثل موش فهمیدیم که پستانداران سیناپس‌های کمتری در هر نورون در مقایسه با جوندگان دارند. نورون‌های پستانداران دو تا پنج برابر کمتر از نورون‌های مشابه در موش، اتصالات سیناپسی تحریکی و مهاری دریافت می‌کنند. دلیل غافلگیرکننده بودن این موضوع این است که در میان دانشمندان علوم اعصاب چنین فرضی وجود دارد که داشتن ارتباطات عصبی بیشتر به معنی باهوش‌تر بودن است. این نتایج به وضوح این ایده را رد می‌کند. البته به طور کلی، چون تعداد نورون‌های بیشتری در مغز نخستی‌ها وجود دارد، نتیجتا تعداد سیناپس‌ها نیز بیشتر است؛ اما اگر بر اساس هر نورون نگاه کنید، پستانداران در واقع سیناپس‌های کمتری دارند.

ما می‌دانیم که نخستی‌ها می‌توانند محاسباتی را انجام دهند که موش‌ها نمی‌توانند انجام دهند و در واقع با هوش‌تر محسوب می‌شوند. این پرسش‌های جالبی را ایجاد می‌کند؛ مثلا پیامد‌های ساخت یک شبکه عصبی بزرگ‌تر، مانند آنچه در نخستی‌ها دیده می‌شود، چیست؟ ما با مدل‌هایی که طراحی کردیم دریافتیم افزایش تعداد نورون‌ها در شبکه، محدودیت‌های متابولیکی، ایجاد و نگهداری اتصالات بین سلول‌ها را دشوارتر می‌کند و منجر به کاهش تراکم سیناپس‌ها می‌شود. مغز فقط ۵/۲ درصد از کل توده بدن ما را به خود اختصاص داده است، اما به حدود ۲۰ درصد از کل انرژی بدن نیاز دارد؛ پس یک اندام بسیار پرهزینه محسوب می‌شود که بیشتر این انرژی در سیناپس‌ها صرف می‌شود؛ هم برای برقراری ارتباط بین سیناپس‌ها و هم برای ساخت و نگهداری آنها. یعنی هرقدر مغز بزرگ‌تر شود نتیجتا تعداد نورون‌های آن نیز بیشتر می‌شود، اما از نظر متابولیکی معاوضه‌ها و محدودیت‌هایی نیز به طبع آن به وجود می‌آید.

به جز گروه شما در دانشگاه شیکاگو آیا گروه‌های دیگری هم روی نقشه‌برداری از مغز کار می‌کنند؟

بله به جز ما گروه‌های شاخص دیگری هم وجود دارند؛ مثل بلوبرین (Blue brain) که با تصاویر کم وضوح تری بر روی مغز موش کار می‌کند یا در آزمایشگاه جنیلیا (janelia) که مغز مگس را مطالعه می‌کند. موسسه آلن هم قسمت کوچکی از مغز موش را هدف قرار داده است. چند موسسه علمی پیشگام دیگر نیز در آلمان و موسسه مکس پلانک روی همین موضوع کار می‌کنند.

به عنوان آخرین سوال می‌خواهم نظرتان را درباره مخالفان اهمیت کشف کانکتوم مغز انسان بپرسم. زیرا برخی معتقدند نقشه برداری ازمغز کرم سی-الگانس که حدود ۴۰ سال پیش انجام شد درک چندانی از رفتار این موجود به ما نداده است، پس نقشه برداری از مغز انسان هم چندان نمی‌تواند به درک رفتار انسان کمک کند. نظر شما درباره چنین انتقاداتی چیست؟

اگر به ۱۰ برنده جایزه نوبل در حوزه علوم اعصاب نگاه کنیم می‌بینیم همگی کسانی بوده‌اند که به فناوری‌های جدیدی دسترسی پیدا کرده‌اند و با به کارگیری این فناوری‌های نوین به ما بینش اساسی و جدیدی در زمینه علوم اعصاب داده‌اند از کاهال و گلژی که با استفاده از روش لکه‌گذاری گلژی و به کمک میکروسکوپ ترکیبی در سال ۱۲۸۵ برنده جایزه نوبل شدند تا نوبلی که برای تصویربرداری میکروسکوپی با تفکیک فوق العاده بالا در سال ۱۳۹۳ اهدا شد. واقعیت این است که با اینکه حدود صد سال از اولین عکسی که کاهال از نورون‌ها گرفته گذشته است، ولی هنوز به شکل حیرت انگیزی اطلاعات ما درباره مغز و چگونگی فعالیت آن کم است. پس ما برای دستیابی به اطلاعاتی که تا به حال به آن دسترسی نداشته‌ایم به تصاویری نیاز داریم که پیش از این نداشته‌ایم تا این جزیئات را برای ما افشا شود.

علم با هر مراسم خاکسپاری پیشرفت می‌کند، حقیقت علمی جدید با متقاعدکردن مخالفان و وادار کردن آن‌ها به دیدن نور پیروز نمی‌شود بلکه پیروزی به این دلیل است که مخالفان قدیمی می‌میرند و نسل جدیدی رشد می‌کند که با آن حقایق آشنا هستند.