پژوهش‌گران توانسته‌اند نقشه‌ی سه‌بعدی تازه‌ای از مغز انسان تهیه کنند. این اطلس که «مغز بزرگ (Big Brain)» نامیده شده مدلی دیجیتالی از مغز انسان است که توان تفکیک آن در هریک از سه راستای فضایی ۵۰ برابر بیش‌تر از نقشه‌های موجود است.

نقشه‌ی جدید سه‌بعدی از مغز، پس از کارکردن با تکه‌های برش‌داده‌شده‌ی خشک و بی‌روح مغز، دست کم برای شماری از عصب‌شناسان بهترین دست‌آورد است.

همان‌گونه که دیوید وان ایسن (David Van Essen) پژوهش‌گر عصب‌شناسی در دانشگاه واشنگتون در سنت لویس می‌گوید: «بازسازی تمام مغز انسان با چنین دقتی، دستاوردی قابل توجه و نیازمند مهارتی بسیار بالاست».

پژوهش‌گران با به‌کارگیری یک دستگاه برش با فناوری بالا و حدود ۱۰۰۰۰۰ پردازشگر رایانه‌ای توانستند مغز انسان را به صورت هزاران لایه‌ی نازک برش داده و سپس به صورت دیجیتالی به همدیگر بچسبانند. نتیجه‌ی به‌دست‌آمده اطلسی‌ست با بیشترین جزییات از مغز انسان که تاکنون منتشر شده است. چنان‌که پژوهش‌گران در ۲۱ ژوئن در گزارشی به نشریه‌ی Science توضیح داده‌اند، این اطلس که «مغز بزرگ (Big Brain)» نامیده شده مدلی دیجیتالی از مغز انسان است که توان تفکیک آن در هریک از سه راستای فضایی ۵۰ برابر بیش‌تر از نقشه‌های موجود است.

پروژه‌ی «مغز بزرگ»

پژوهش‌گران توانستند با برش‌دادن بافت مغز به صورت لایه‌های بسیار نازک و چسباندن آن‌ها به صورت دیجیتالی به یک‌دیگر، نخستین نقشه‌ی سه‌بعدی از مغز انسان را با توان تفکیک بسیار بالا تهیه کنند.

Amunts, Zilles, Evans e t al

آلن ایوانس (Alan Evans)، پژوهش‌گر در زمینه‌ی تصویربرداری اعصاب از دانشگاه مک‌گیل در مونترال و یکی از نویسندگان مقاله چنین توضیح می‌دهد که تفاوت نقشه‌ی سه‌بعدی جدید با نقشه‌های پیشین، مانند بزرگ‌نمایی یک تصویر ماهواره‌ای تا حدی‌ست که خیابان‌های یک شهر هم قابل مشاهده باشند.

«مغز بزرگ» به پژوهش‌گران این امکان را می‌دهد تا دورنمایی از قشر مغز انسان (cortex) به‌دست بیاورند. این بخش، لایه‌ی بیرونی و سخت مغز است. برخلاف نقشه‌های پیشین، نقشه‌ی جدید این امکان را به دانش‌مندان می‌دهد که بخش‌های زیرین سطح مغز را بکاوند، به درون نیم‌کره‌های مغز رخنه کنند و  در راه انجام پژوهش‌های پیشرفته برای دست‌یابی به داده‌های ساختاری مغز، لایه‌به‌لایه پیش روند.

حدود صد سال پیش، عصب‌شناسان در تلاش بودند که با دردست‌داشتن تکه‌ای ضخیم از بافت مغز، بخش‌های عصبی آن را به صورتی ابتدایی به تصویر بکشند. بعدها ابزارهای تصویربرداری مانند MRI به پژوهش‌گران این امکان را داد که با جزییات بیش‌تری بافت مغز را ببینند. با این وجود بنا به گفته‌ی هانچوان پِنگ (Hanchuan Peng)، زیست‌شناس محاسباتی از موسسه‌ی علوم مغز آلن واقع در سیاتل، حتی بهترین تصویربرداری‌های MRI نیز هنوز دارای ابهام هستند.

در سال 2010 گروهی از پژوهش‌گران چینی از سازوکاری همانند روش به‌کار گرفته شده در آماده‌سازی نقشه‌ی «مغز بزرگ» بهره گرفته و توانستند نقشه‌ای دیجیتالی از مغز موش تهیه کنند. اما این کار تاکنون در مورد انسان انجام نشده بود. از آن‌جا که مغز انسان هزاران برابر بزرگ‌تر از مغز موش است، ایوانس و هم‌کارانش می‌بایست برش‌ها و روش‌های محاسباتی خود را به طور گسترده‌ای افزایش می‌دادند. ابتدا کاترین اَمونتز (Katrin Amunts) و هم‌کارانش از مرکز پژوهشی زوریخ در آلمان، مغز اهدایی یک زن 65 ساله را به صورت 7404 لایه‌ی بسیار نازک برش دادند. کلفتی هر یک از این لایه‌ها در حد یک تار پلاستیکی بود.

سپس پژوهش‌گران برای بررسی این نمونه‌ها با میکروسکوپ و نیز افزایش توان تفکیکی، این لایه‌ها را رنگ زده و با یک روبش‌گر (اسکنر) دارای صفحه‌ی پرس افقی، از هر لایه چندین عکس گرفتند. این گروه توان پردازشی مورد نیاز خود را با به‌کارگیری امکانات 7 ابررایانه از سراسر کانادا، تامین کردند تا بتوانند این تصاویر را به صورت دیجیتالی به یک‌دیگر بچسبانند. در طول این کار پژوهشی، پژوهش‌گران نزدیک به یک ترابایت (یک‌هزار گیگابایت) داده‌ی موجود در این تصاویر را آنالیز کردند. این میزان داده به اندازه‌ی 250000 آهنگ با فرمت MP3 است.

بنا به گفته‌ی ایوانس: «اگر لپ‌تاپ شما بخواهد چنین برنامه‌ی پردازش تصویری را اجرا کرده و داده‌های آن را بررسی کند بی‌تردید از کارکردن باز خواهد ایستاد».

اعضای گروه پژوهشی وی نرم‌افزاری طراحی کرده‌اند که به پژوهش‌گران این امکان را می‌دهد که به اطلاعات «مغز بزرگ» دست یابند. کاربران می‌توانند مغز را بررسی کرده، آن را در راستای دل‌خواه بچرخانند و یا در مقطعی دل‌خواه برش دهند. همان‌گونه که ایوانس توصیف می‌کند: «این مانند یک بازی ویدیویی‌ست».

ایوانس امیدوار است که نقشه‌ی مغز بزرگ چارچوبی برای دیگر پژوهش‌گران فراهم آورد که آن‌ها بتوانند داده‌های گوناگون دیگری درباره‌ی مغز را به آن بیافزایند. دانش‌مندان می‌توانند داده‌هایی درباره‌ی چگال‌سازی‌های شیمیایی یا سیگنال‌های الکتروفیزیکی را به این نقشه اضافه کنند، درست همان‌گونه که داده‌های مربوط به آب‌وهوا و ترافیک را می‌توان به یک نقشه‌ی جغرافیایی افزود.

یکی از نویسندگان این مقاله با نام کارل زیلِس (Karl Zilles) از مرکز پژوهشی زوریخ، در گزارشی کوتاه به یک رسانه چنین بیان کرده که این نقشه‌ی سه‌بعدی هم‌چنین پژوهش‌گران را یاری خواهد کرد که داده‌های به‌دست آمده از روش‌های روبش مغز با توان تفکیک کم‌تر مانند MRI و PET را بهتر تفسیر کنند. تصویربرداران مغز با گذاشتن تصاویر به‌دست‌آمده از این روش‌ها (MRI و PET) برروی نقشه‌ی مغز بزرگ می‌توانند محل قرارگیری بافت آسیب‌دیده در مغز بیماران را دقیق‌تر شناسایی کنند.

برای درمان برخی بیماری‌ها مانند آلزایمر و پارکینسون، الکترودهایی را درون بافت مغز قرار می‌دهند تا ژرفای مغز را برانگیخته کنند. زیلِس هم‌چنین می‌افزاید که نقشه‌ی مغز بزرگ می‌تواند جراحان اعصاب را درباره‌ی محل قرارگیری این الکترودها راهنمایی کند.

اگرچه مغز همه‌ی انسان‌ها تا اندازه‌ی زیادی معماری یکسانی دارد، اما شکل مغز هر انسانی ممکن است تفاوت‌های ظریفی با مغز دیگری داشته باشد. از این‌رو زیلِس علاقمند است از مغز افراد بیش‌تری نقشه‌برداری کند تا امکان مقایسه‌ی اشکال مختلف مغز، فراهم شود.

پژوهش‌گران بر این باورند که هم‌اکنون که اعضای این گروه پژوهشی توانسته‌اند بر کاستی‌های فنی موجود در روند آماده‌سازی نقشه‌ی مغز بزرگ چیره شوند، می‌توانند دومین نقشه‌ی مغز انسان را در حدود یک سال، آماده و تهیه کنند. ایوانس در همین راستا می‌گوید: «هم‌اینک تقریباً همه‌ی ابزارهای محاسبه برای ادامه‌ی کار آماده هستند».

منبع:

http://www.sciencenews.org/view/generic/id/351137/description/Human_brain_mapped_in_3-D_with_high_resolution