با ساختار و عملکرد مغز انسان آشنا شوید

مغز انسان، مرکز فرماندهی سیستم عصبی انسان است و شاید بتوان گفت مهم‌ترین عضو بدن انسان بوده و بدون آن زندگی ناممکن است.

مغز انسان مرکز فرماندهی سیستم عصبی انسان است. مغز، سیگنال‌هایی از اندام های حسی بدن دریافت می‌کند و اطلاعات را به ماهیچه‌ها منتقل می‌کند. مغز انسان همان ساختار اساسی مغزهای دیگر پستانداران را دارد؛ اما مغز انسان نسبت به اندازه‌ی بدن، از مغز بسیاری از پستانداران دیگر مانند دلفین‌ها، نهنگ‌ها و فیل‌ها بزرگ‌تر است. وزن مغز انسان تقریباً ۱۴۰۰ گرم بوده و حدود ۲ درصد از وزن بدن انسان را تشکیل می‌دهد. بر اساس اطلاعات ارائه شده از سوی مرکز درمانی Northwestern Medicine، مغز مردان حدود ۱۰ درصد بزرگ‌تر از مغز زنان است. به‌طور دقیق، حجم مغز مردان ۱۲۷۴ سانتی‌متر مکعب و حجم مغز زنان ۱۱۳۱ سانتی‌متر مکعب است. مخ که قسمت اصلی مغز به‌شمار می‌رود، در قسمت جلویی جمجمه واقع شده و ۸۵ درصد از وزن مغز را تشکیل می‌دهد.

بر اساس مطالعه‌ای که سال ۲۰۱۲ در نشریه‌ی Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شد، مغز انسان حدود ۸۶ میلیارد سلول عصبی (نورون) دارد که به آن‌ها «ماده‌ی خاکستری» می‌گویند. مغز همچنین به همان تعداد سلول غیر عصبی مانند اُلیگودندروسیت‌ها دارد که اکسون‌های عصبی را با غلاف میلین می‌پوشاند. این لایه‌ی پوششی، به اکسون‌ها (رشته‌های نازکی که پالس‌های الکتریکی از طریق آن‌ها به عصب‌ها منتقل می‌شود) ظاهری سفید می‌دهد؛ بنابراین این اکسون‌ها را «ماده‌ی سفید مغز» می‌نامند.

نکات جالب در مورد مغز

• بر اساس گفته‌های مؤسسه‌ی عصب‌شناسی Dent، مغز نمی‌تواند چند وظیفه‌ای عمل کند؛ اما در عوض بین وظایف جابه‌جا می‌شود که همین موضوع باعث افزایش خطاها و طولانی شدن کار می‌شود.
• اندازه‌ی مغز انسان در سال اول زندگی سه برابر می‌شود و در حدود ۲۵ سالگی به بلوغ کامل می‌رسد.
• انسان‌ها همواره از تمام قدرت مغز خود استفاده می‌کنند نه فقط ۱۰ درصد آن.
• بر اساس اطلاعات ارائه شده از سوی مرکز درمانی Northwestern Medicine، مغز انسان ۶۰ درصد چربی دارد.
• مغز انسان می‌تواند ۲۳ وات برق تولید کند که این برای روشن کردن یک لامپ کوچک کافی است.

ساختار مغز انسان

بر اساس اطلاعات ارائه شده از سوی کلینیک Mayfield، بزرگ‌ترین قسمت مغز انسان، مخ است. مخ به دو نیم‌کره راست و چپ تقسیم شده و هر نیم‌کره نیز از چهار لوب تشکیل شده‌ است که عبارتند از: پیشانی، گیجگاهی، آهیانه‌ای و پس‌سری. به لایه‌ی نازک و مواجی که روی مخ را می‌پوشاند، قشر مخ می‌گویند. زیر مخ، ساقه‌ مغز قرار گرفته و در پشت آن مخچه نهفته شده است. لوب پیشانی، برای عملکردهای شناختی مانند فکر کردن و برنامه‌ریزی و همچنین برای کنترل حرکت ارادی مهم است. لوب گیجگاهی، خاطرات و احساسات را ایجاد می‌کند. لوب آهیانه‌ای، حواس مختلف را ادغام می‌کند و برای جهت‌یابی فضایی و ناوبری بسیار مهم است. پردازش بینایی در لوب پس‌سری که نزدیک پشت جمجمه قرار گرفته است انجام می‌شود.

ساقه‌ی مغز به نخاع متصل می‌شود و بصل النخاع، پل مغز و مغز میانی را در بر می‌گیرد. اصلی‌ترین وظیفه‌ی ساقه‌ی مغز، انتقال اطلاعات بین مغز و بدن است. بیشترین اعصاب مغزی از ساقه‌ی مغز خارج می‌شوند و این عضو مهم وظیفه‌ی تنظیم عملکردهای حیاتی بدن، کنترل قلب، تنفس و سطح هوشیاری را بر عهده دارد و چرخه‌ی خواب و بیداری را تنظیم می‌کند. بین مخ و ساقه مغز، تالاموس و هیپوتالاموس قرار گرفته‌اند. تالاموس، سیگنال‌های حسی و حرکتی را تقویت کرده و به قشر مغز می‌فرستد. به جز حس بویایی، هر سیستم حسی دیگری از طریق تالاموس اطلاعات را به قشر مغز می‌فرستد. هیپوتالاموس از طریق غده‌ی هیپوفیز، سیستم عصبی را به سیستم غدد درون ریز (جایی که هورمون‌ها تولید می‌شوند) متصل می‌کند.

مخچه، یکی دیگر از قسمت‌های مهم مغز است که زیر مخ قرار گرفته است و نقش مهمی در کنترل حرکت بر عهده دارد. مخچه در ایجاد هماهنگی و تعادل نقشی اساسی داشته و همچنین ممکن است برخی عملکردهای شناختی را نیز داشته باشد. مغز همچنین دارای چهار حفره‌ی به‌هم پیوسته است که بطن نامیده می‌شوند و مایع مغزی نخاعی (CSF) را تولید می‌کنند. این مایع در اطراف مغز و طناب نخاعی گردش می‌کند و با فراهم کردن محیطی شناور، مانع از ارتباط مغز با استخوان‌های اطراف می‌شود. این مایع در نهایت جذب جریان خون می‌شود. مایع مغزی نخاعی، علاوه بر تقویت سیستم اعصاب مرکزی، مواد زائد مغز را نیز پاک‌سازی می‌کند. بر اساس اطلاعات ارائه شده از سوی انجمن علوم اعصاب، در این سیستم که «گلیمفاتیک» نام دارد، مواد زائد مایع میان بافتی اطراف سلول‌های مغزی به مایع مغزی نخاعی منتقل می‌شوند و از مغز دور می‌شوند. پژوهش‌ها نشان می‌دهند که این فرآیند پاک‌سازی در هنگام خواب اتفاق می‌افتد. در یک مقاله‌ی علمی که سال ۲۰۱۳ منتشر شد، پژوهش‌گران گزارش دادند وقتی که موش‌ها می‌خوابند، فضای میان‌ بافتی آن‌ها ۶۰ درصد گسترش می‌یابد و سیستم گلیمفاتیک مغز، بتا آمیلوئید (پروتئین‌هایی که پلاک‌های مشخصه‌ی بیماری آلزایمر را می‌سازند) را سریع‌تر از زمانی که موش‌ها بیدار هستند، پاک‌سازی می‌کند. پژوهش‌گران خاطرنشان کردند که این ممکن است یکی از دلایل اهمیت خواب باشد.

آیا اندازه‌ی مغز با میزان هوش در ارتباط است؟

در سایر حیوانات، اندازه‌ی مغز ارتباطی با میزان هوش آن‌ها ندارد. به‌عنوان مثال، مغز نهنگ عنبر ۵ برابر سنگین‌تر از مغز انسان است؛ اما گفته می‌شود که میزان هوش انسان‌ها بیشتر از نهنگ عنبر است. یک معیار نسبتاً دقیق‌تر برای اندازه‌گیری هوش احتمالی یک حیوان، نسبت بین اندازه‌ی مغز و اندازه‌ی بدن است. بر اساس این معیار و اطلاعات ارائه شده از سوی انجمن علوم اعصاب، حشره‌خواران درختی در مقایسه با سایر پستان‌داران، بالاترین نسبت مغز به اندازه‌ی بدن را دارند. بر اساس این معیار، این حیوانات نسبت به انسان در جایگاه بالاتری قرار می‌گیرند.

اما در میان انسان‌ها، اندازه‌ی مغز سطح هوش فرد را نشان نمی‌دهد. بر اساس گفته‌های کریستوف کُخ، دانشمند مغز و اعصاب و رئیس مؤسسه‌ی علوم مغز آلن در سیاتل، برخی نوابغ دارای مغز کوچک‌تر از متوسط بوده‌اند و از سوی دیگر تعدادی نیز مغزی بزرگ‌تر از متوسط داشته‌اند. به‌عنوان مثال، بیایید مغز دو نویسنده‌ی بسیار تحسین شده را مقایسه کنیم. مغز ایوان تورگنیف، داستان‌نویس روسی ۲۰۲۱ گرم وزن داشت در حالی که مغز آناتول فرانس فقط ۱۰۱۷ گرم وزن داشته است. عاملی که باعث می‌شود انسان هوش بیشتری نسبت به سایر حیوانات داشته باشد، تا حدی سلول‌های عصبی و چین خوردگی‌ها هستند. بر اساس گفته‌های دکتر اریک هالند، جراح مغز و اعصاب و زیست‌شناس سرطان در مرکز پژوهش‌های سرطانی فرد هاچینسون واقع در دانشگاه واشنگتن، تعداد نورورن‌ها در واحد حجم مغز انسان‌ها بیش از سایر حیوانات است و برای آن‌که همه‌ی آن‌ها بتوانند در ساختار لایه‌ای مغز قرار بگیرند، تنها راه ایجاد چین خوردگی در لایه‌ی خارجی یا قشر مغز است.

هرچه مغز پیچیده‌تر باشد، تعداد چین خوردگی‌ها (برآمدگی‌ها و فرورفتگی‌های لایه‌ی بیرونی) بیشتر می‌شود. حیوانات باهوش دیگری مانند میمون‌ها و دلفین‌ها نیز این چین خوردگی‌ها را در مغز خود دارند و این در حالی است که مغز موش‌ها صاف است. همچنین به نظر می‌رسد که یکپارچگی و اتصالات مغز نیز در تعیین هوش فرد نقش دارند. به‌عنوان مثال آلبرت اینشتین که نابغه‌ی نابغه‌ها به‌شمار می‌رود، دارای مغزی با اندازه‌ی متوسط بود؛ اما پژوهش‌گران می‌گویند که احتمالاً توانایی‌های خارق‌العاده‌ی شناختی او از چگونگی اتصال بخش‌های مغز او ناشی می‌شدند. به‌عنوان مثال چندین مسیر در مغز او وجود داشته که نواحی دوردست مغز را به یکدیگر متصل کرده بودند. بر اساس گفته‌های دکتر هالند، لوب پیشانی انسان بزرگ‌تر از هر حیوان دیگری است. لوب پیشانی وظیفه‌ی کنترل و برنامه‌ریزی، منطق و تفکر انسانی را بر عهده دارد و این‌ها دقیقاً همان چیزهایی هستند که اساساً ما را به انسان هوشمند تبدیل می‌کنند.

تفاوت میان قسمت‌های راست و چپ مغز

مغز انسان به دو نیم‌کره‌ی چپ و راست تقسیم شده است که توسط دسته‌ای از رشته‌های عصبی به‌نام جسم پینه‌ای به‌هم متصل می‌شوند. گفته می‌شود که این نیم‌کره‌ها با هم متقارن هستند؛ اما در واقع این‌طور نیست و این دو نیم‌کره به‌طور کامل متقارن نیستند. به‌طور کلی، نیم‌کره‌ی چپ مغز عضلات سمت راست بدن و نیم‌کره‌ی راست مغز عضلات سمت چپ بدن را کنترل می‌کند. ممکن است یک نیم‌کره مانند راست یا چپ اندکی بر دیگری غالب باشد.

تصورات رایج در مورد ویژگی‌های نیم‌کره‌ی چپ و نیم‌کره‌ی راست مغز، تعمیماتی هستند که شواهد علمی کافی برای تأیید آن‌ها وجود ندارد. با وجود این، تفاوت‌های مهمی میان این دو قسمت از مغز وجود دارد. نیم‌کره‌ی چپ مغز شامل مناطقی است که در تولید و درک زبان نقش دارند. این مناطق، بروکا و ورنیک نام دارند. این نیم‌کره از مغز با محاسبات ریاضی و بازیابی حقایق سروکار دارد. نیم‌کره‌ی راست مغز در پردازش سیگنال‌های بینایی و شنیداری، مهارت‌های فضایی و توانایی هنری نقش دارد. هرچند باید در نظر داشت که این وظایف، هر دو نیم‌کره‌ی مغز را درگیر می‌کنند و همه‌ی افراد از هر دو نیمه‌ی مغز خود استفاده می‌کنند.

ابتکار مغز

در آوریل سال ۲۰۱۳ میلادی باراک اوباما، رئیس جمهور وقت ایالات متحده‌ی آمریکا، از یک چالش بزرگ علمی که با نام «ابتکار مغز» شناخته می‌شود رونمایی کرد. این پروژه در بر گیرنده‌ی پژوهش‌های مغزی با استفاده از فناوری‌های عصبی پیشگامانه است. این پروژه تلاشی ۱۰۰ میلیون‌ دلاری برای تهیه تصویری پویا از مغز انسان (از سطح سلول‌های منفرد تا مدارهای پیچیده) بود. پروژه ابتکار مغز نیز همانند دیگر تلاش‌های علمی (مانند پروژه ژنوم انسانی)، ارزش سرمایه‌گذاری بسیار بالایی دارد. دانشمندان امیدوار هستند که آغاز این پروژه بتواند باعث ایجاد روش‌های درمان شود و بتوان به کمک آن از اختلالات مغزی جلوگیری کرد. در این پروژه چند سازمان دولتی مانند مؤسسه‌های ملی بهداشت (NIH)، بنیاد ملی علوم (NSF)، آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته‌ی دفاعی (DARPA) و همچنین سازمان‌های خصوصی نظیر مؤسسه‌ی علوم مغز آلن و مؤسسه‌ی پزشکی هوارد هیوز مشارکت دارند.

در ماه می سال ۲۰۱۳، حامیان پروژه اهداف خود از سرمایه‌گذاری را در نشریه‌ی Science اعلام کردند. در سپتامبر سال ۲۰۱۴ مؤسسه‌های ملی بهداشت (NIH) اعلام کرد که قصد دارد ۴۶ میلیون دلار در این پروژه سرمایه‌گذاری کند. اعضای دیگر نیز آمادگی خود را برای اعطای مبلغ ۳۰ میلیون دلار اعلام کردند و متعهد شدند که از این تلاش علمی بسیار بزرگ حمایت کنند. بنیادهای بزرگ و دانشگاه‌ها نیز توافق کردند بیش از ۲۴۰ میلیون دلار از بودجه‌ی تحقیقاتی خود را در این پروژه سرمایه‌گذاری کنند. هنگام رونمایی از این پروژه، باراک اوباما کمیسیونی را برای ارزیابی مسائل اخلاقی مربوط به تحقیقات روی مغز تشکیل داد. در ماه می سال ۲۰۱۴، این کمیسیون نیمه‌ی اول گزارش خود را منتشر کرد و خواستار تلفیق اصول اخلاقی در پژوهش‌های اولیه‌ی علوم اعصاب شد. در ماه مارس سال ۲۰۱۵، کمیسیون نیمه دوم گزارش خود را منتشر کرد که بر موضوعاتی نظیر مشکلات مربوط به تقویت شناختی، رضایت آگاهانه نمونه‌های آزمایشی و استفاده از علوم اعصاب در سیستم حقوقی متمرکز بود.

این پروژه به چندین هدف تعیین شده دست یافته است. از سال ۲۰۱۸، مؤسسه‌های ملی بهداشت ۵۵۹ میلیون دلار در این پروژه که متشکل از ۵۰۰ دانشمند است، سرمایه‌گذاری می‌کند. کنگره نیز بودجه‌ی ۴۰۰ میلیون دلاری را برای NIH در سال مالی ۲۰۱۸ در نظر گرفته بود. بودجه‌ی تحقیقاتی کلان، توسعه‌ ابزارهای جدید تصویربرداری و نقشه‌برداری از مغز را تسهیل کرد و به ایجاد شبکه BICCN کمک شایانی کرد. این شبکه در واقع فهرستی از تمام بخش‌های مغز است. BICCN نخستین نتایج خود را در ماه نوامبر سال ۲۰۱۸ منتشر کرد. جدای از تهیه‌ی لیست بخش‌های مختلف مغز، دانشمندان دخیل در پروژه در تلاش هستند تا تصویری واضح با جزئیات بالا را از مدارهای موجود در مغز تهیه کنند. در سال ۲۰۲۰، پژوهش‌گران دخیل در این پروژه، مطالعه‌ای را در نشریه‌ی Neuron منتشر کردند و گزارش دادند که آن‌ها سیستمی را توسعه داده‌اند که می‌تواند فعالیت مداری را در هر ژرفایی از مغز کنترل و نظارت کند. آن‌ها گزارش دادند که این سیستم را با موفقیت روی موش‌ها آزمایش کرده‌اند. در تلاش‌های قبلی، دانشمندان فقط می‌توانستند فعالیت‌های مداری نزدیک به سطح مغز را بررسی کنند. همچنین در سال ۲۰۲۰، این پروژه بخشی به‌نام MICrONS را به‌عنوان تلاشی برای نقشه‌برداری از مدارهای موجود در قشر مغز راه‌اندازی کرد. این بخش وب‌سایتی دارد که پژوهش‌گران می‌توانند داده‌های خود از جمله تصاویر میکروسکوپ الکترونی از مدارهای مغز را به اشتراک بگذارند.

آیا مغز پس از مرگ افراد زنده می‌ماند؟

آوریل سال ۲۰۱۹ میلادی، یک اتفاق بسیار مهم در زمینه‌ی تحقیقات ابتکاری علوم اعصاب رقم خورد. نناد سستان، یکی از پژوهش‌گران پروژه‌ی ابتکار مغز از دانشکده‌ی پزشکی ییل، در نشریه‌ی Nature گزارش داد که او به همراه گروه پژوهشی موفق شده‌اند مجدداً گردش خون و برخی عملکردهای سلولی را چهار ساعت پس از مرگ یک خوک، به مغز او بازگردانند. نتایج این پژوهش بسیار مهم، دیدگاه‌های رایجی که بیان می‌کنند سلول‌های مغز اندکی پس از توقف ضربان قلب به‌طور ناگهانی و غیرقابل بازگشت آسیب می‌بینند را به چالش کشید. البته لازم به ذکر است که پژوهش‌گران هیچ نشانه‌ای از هوشیاری مجدد را مشاهده نکردند و به دنبال این موضوع هم نبودند.

پژوهش‌گران به مغز خوک نوعی خاص از مواد شیمیایی را تزریق کردند که جریان خون را تقلید می‌کند و از انتقال پالس‌های عصبی توسط نورون‌ها جلوگیری به‌عمل می‌آورد. پژوهش‌گران تأکید کردند که آن‌ها مغز خوک را زنده نکردند؛ اما با این‌حال توانستند برخی از فعالیت‌های سلولی را بازیابی کنند.

گویا پس از مرگ، برخی سلول‌های موجود در مغز انسان در واقع فعالیت خود را افزایش می‌دهند. این سلول‌های زامبی، بیان ژن خود را افزایش داده و به تلاش خود برای انجام وظایف حیاتی ادامه می‌دهند، گویا کسی فراموش کرده که به آن‌ها بگوید اکنون همه‌چیز تمام شده و آن‌ها بیهوده در تلاش هستند. یک متخصص مغز و اعصاب به‌نام جفری لوب از دانشگاه ایلینوی به همراه همکارانش مشاهده کردند که این سلول‌های مغزی تا چند ساعت پس از مرگ نیز خود را با انجام کارهای سخت مشغول می‌کنند و شاخک‌های جدیدی را ایجاد می‌کنند. آن‌ها در دمای اتاق برای درک تغییرات فعالیت خاص سلول در طول زمان پس از مرگ از داده‌های بیان ژن استفاده کردند که بعداً این داده‌ها را با بررسی بافت‌شناسی مغز تأیید کردند. اگرچه بیشتر فعالیت‌های ژنی طی ۲۴ ساعتی که تیم مستند کرد پایدار باقی ماندند؛ اما سلول‌های عصبی و فعالیت ژن آن‌ها به سرعت از بین رفت. با وجود این، جالب است بدانید که سلول‌های گلیال، بیان ژن و فرآیندها را افزایش دادند. شاید این اتفاق در نگاه اول باعث تعجب شود؛ اما در واقع وقوع آن منطقی است. سلول‌های میکروگلیا و آستروسیت وقتی که اتفاق یا اشتباهی در مغز رخ می‌دهد فراخوانده می‌شوند و مرگ نیز بزرگ‌ترین اشتباهی است که یک موجود زنده می‌تواند مرتکب شود.