مکانیسم ها وظایف مغز انسان
مکانیسم های مغز شامل عملکردهای مختلفی مانند ادراک، شناخت، تنظیم هیجان، هماهنگی حرکتی، یادگیری، تثبیت حافظه و غیره است. درک این فرآیندها مستلزم دانش علوم اعصاب، روانشناسی، ژنتیک، فارماکولوژی و تکنیک های مدل سازی محاسباتی است. به عنوان مثال، مطالعات نشان دادهاند که چگونه مناطق خاصی در مغز اطلاعات حسی (بصری، شنوایی)، ذخیرهسازی خاطرات (هیپوکامپ)، یا تعدیل پاسخهای رفتاری (استریاتوم) را پردازش میکنند. برای کسب اطلاعات بیشتر، میتوانید منابعی مانند کتابهای درسی نوروبیولوژی، مقالات علمی از مجلات معتبر، یادداشتهای سخنرانی از دانشگاههای ارائهدهنده دورههای مرتبط با علوم اعصاب و پلتفرمهای آموزشی آنلاین متمرکز بر این موضوع را بررسی کنید.
مغز انسان اساساً از دو نیمکره تشکیل شده است که توسط نوار باریکی از بافت به نام جسم پینه ای به هم متصل شده اند. هر نیمکره شامل چندین ناحیه عملکردی است که مسئول جنبه های متمایز توانایی های شناختی ما هستند. در زیر توضیح ساده ای از برخی ساختارهای اصلی موجود در هر دو نیمکره آورده شده است:
1. لوب پیشانی
- ناحیه بروکا: با تولید گفتار و درک زبان از طریق مسیرهای عصبی پیچیده که شامل کنترل حرکتی است، مرتبط است.
- ناحیه Wernicke: ورودی بصری را از طریق تابش نوری دریافت می کند و آن را با تجربیات زبانی ادغام می کند. همچنین در توسعه مهارت های خواندن و نوشتن نقش دارد.
2. لوب های تمپورال
- شکنج Heschl: صداهای با فرکانس بالا را که برای برقراری ارتباط در دوران کودکی لازم است پردازش می کند.
- آمیگدال: درگیر احساسات، پاسخ به ترس، تصمیم گیری تحت استرس و تعاملات اجتماعی است.
3. لوب جداری
- قشر حسی جسمی اولیه: لمس، دما، درد، حرکت و حس عمقی را تشخیص می دهد.
- قشر سوماتوسانسوری ثانویه: بینایی و درک عمق مرتبط با جهت گیری فضایی را کنترل می کند.
4. لوب اکسیپیتال
- قشر بینایی: مسئول پردازش محرک های بصری به تصاویر و اشیاء معنی دار است.
- قشر اکسیپیتال جانبی: متخصص در تشخیص چهره و بدن است.
5. اینسولا
- شیار/قشر منزوی قدامی: در توجه، تنظیم خلق و خو، انگیزه، خودآگاهی و همدلی نقش دارد.
- شیار/قشر منزوی خلفی: در عملکرد سیستم پاداش، پردازش درد و ارتباطات بین نیمکره ای شرکت می کند.
6. سیستم لیمبیک
- قشر جلوی مغز: در عملکردهای اجرایی، حافظه کاری، برنامه ریزی، کنترل تکانه و حل مسئله نقش دارد.
- قشر سینگولات: احساس لذت، تهدید و برانگیختگی را در کنار قشر پیشانی تنظیم می کند.
- هیپوکامپ: برای شکل دادن خاطرات جدید، سازماندهی خاطرات موجود و حفظ رویدادهای زندگی نامه ای بسیار مهم است.
- هسته قاعده جانبی آمیگدال: زمانی تحریک می شود که حالات عاطفی منفی را تجربه می کنیم که منجر به پاسخ های جنگ یا گریز می شود.
7. ساقه مغز و نخاع
- مغز میانی: از حرکات ارادی، نظم فکری، رویاپردازی و سلامت روانی کلی پشتیبانی می کند.
- پونز: شامل بخش هایی از مراکز تنفسی است و به الگوهای خواب و سیستم برانگیختگی کمک می کند.
رشد مغز در طول دوران شیرخوارگی به سرعت پیشرفت میکند و به دنبال آن نرخ رشد آهستهتر تا اواخر نوجوانی رخ میدهد که به ترتیب به عنوان دورههای نوزادی، نوجوانی و بزرگسالی شناخته میشوند. در اینجا یک طرح کلی از مراحل کلیدی در طول رشد مغز آمده است:
1. دوره نوزادی (~چند هفته اول)
- تولد: جنین ها نسبت به اندازه بدن مغزهای بزرگی پیدا می کنند که به تدریج به دلیل کاهش جریان خون ناشی از فشار مایع آمنیوتیک کاهش می یابد.
- بسته شدن لوله عصبی: تشکیل کامل لوله های عصبی در مدت کوتاهی پس از تولد اتفاق می افتد و شروع رشد سیستم عصبی مرکزی (CNS) را نشان می دهد.
- قوس رفلکس اولیه: در حدود شش ماه پس از تولد ظاهر می شود و عملکردهای اساسی مانند مکیدن و بلع را ممکن می سازد.
- مهاجرت سپتوم بطنی: با دور کردن دیوارههای جداکننده آن از خط میانی، به شکلگیری مغز کمک میکند و اجازه میدهد شکمسازی مناسب را فراهم کند.
2. دوره نوزادی (هفته 1-3)
- فراگیری زبان شروع می شود: با شروع حدود سه ماهگی، نوزادان نشانه هایی از تشخیص کلمات ساده، تکرار جملات و افزایش همکاری را نشان می دهند.
- رشد مهارت های حرکتی: هنگامی که نوزادان قادر به خزیدن، راه رفتن، قائم نشستن، گرفتن اشیای کوچک و برقراری ارتباط صریح می شوند، پیشرفت های چشمگیری رخ می دهد.
3. دوره اولیه کودکی (سال 1-3)
- تعامل اجتماعی به طور قابل توجهی افزایش می یابد: کودکان در فعالیت های بازی با همسالان شرکت می کنند، علاقه اولیه خود را به جهان های تخیلی نشان می دهند و نقاط عطفی مانند دندان درآوردن، دست و پا چلفتی، و اولین کلمات را نشان می دهند.
- آگاهی عاطفی رشد می کند: در سن چهار سالگی، کودکان شروع به درک حالات مختلف چهره، صداها و ژست های مرتبط با احساسات مختلف می کنند.
4. دوره میانی کودکی (5-8 سالگی)
- اوج هوش و خلاقیت: در طول این مرحله، کودکان اغلب از نظر تحصیلی عالی هستند، مهارتهای سوادآموزی پیشرفته را نشان میدهند و تواناییهای تفکر انتقادی بالایی را نشان میدهند.
- شکل گیری خودپنداره آغاز می شود: افراد شروع به ایجاد باورهایی در مورد هوش، ویژگی های شخصیتی، نقاط قوت، ضعف و ارزش های خود می کنند.
5. دوره کودکی بعدی (سنین 9+)
- گذار به بزرگسالی: ویژگی های منحصر به فرد دوران کودکی شروع به کاهش می کند، در حالی که ویژگی های منحصر به فرد بزرگسالی رشد می کند - مانند افزایش جاه طلبی شغلی، مسئولیت های خانوادگی، و نیاز به تعادل بین کار و اوقات فراغت.
6. دوره بزرگسالی (سنین مختلف)
- تقویت حافظه: با افزایش سن، افراد در حفظ و یادآوری تجربیات گذشته، ایجاد روابط بلندمدت و استفاده از مهارت های اکتسابی بهتر می شوند.
- تغییرات مربوط به سن در شناخت: با نزدیک شدن به میانسالی، فلات عملکرد ممکن است در حوزه های خاصی رخ دهد که نیاز به آموزش، آموزش یا مداخلات درمانی بیشتر دارد.
مغز انسان مسئول عملکردها و فرآیندهای پیچیده مختلفی است که برای بقا، توانایی های شناختی، ادراک، ارتباطات، حافظه، تصمیم گیری، انگیزه، یادگیری و تنظیم احساسات ضروری است. نواحی عملکردی اولیه را می توان بر اساس لوب های واقع در هر نیمکره سازماندهی کرد. در زیر برخی از ساختارهای برجسته را در کنار عملکردهای مربوطه آنها بیان کرده ام:
1. لوب فرونتال: واقع در پیشانی، شامل چندین منطقه مهم درگیر در عملکردهای اجرایی مانند برنامه ریزی، حل مسئله، کنترل توجه، پردازش زبان و رفتار اجتماعی است.
- قشر پیش پیشانی میانی (mPFC): در انعطاف پذیری شناختی، ارزیابی پاداش، کنترل تکانه، تئوری ذهن، حافظه فعال، تصمیم گیری در شرایط عدم اطمینان و رفتارهای خودتنظیمی نقش دارد.
- شکنج پیش مرکزی: برای تولید و درک گفتار، هماهنگی حرکت و تعدیل فعال سازی حرکتی از طریق تالاموس ضروری است.
شکنج پیشانی برتر (SFG): استدلال انتزاعی، کارکردهای اجرایی، بیان عاطفی، همدلی، دیدگاهگیری و حل تعارض را ترویج میکند.
2. لوب جداری: در زیر لوب فرونتال و پشت لوب اکسیپیتال قرار دارد و نقش مهمی در جهت یابی فضایی، بازخورد حس عمقی و یکپارچگی حسی دارد.
- قشر جداری خلفی (PPC): در بازنمایی فضای بصری، طبقه بندی اشیا، پیش بینی عمل و نقشه برداری شناختی نقش دارد.
- لوب گیجگاهی قدامی: مسئول اصلی پردازش شنوایی، خواندن، درک زبان و تفسیر معنایی است.
3. لوب گیجگاهی: متشکل از هر دو بخش قدامی و خلفی، نقش مهمی در رمزگذاری حافظه، بازیابی، پردازش صدا، بینایی، تشخیص چهره، تشخیص احساسات و اکتساب زبان ایفا می کند.
- شکنج زاویه ای: با پردازش محرک های شنیداری و کلمات دارای بار عاطفی مرتبط است.
- قشر انتورینال: به عنوان رابط بین هیپوکامپ، هیپوتالاموس و سایر نواحی مغز عمل می کند و به حفظ موقعیت و جهت گیری در فضا کمک می کند.
4. لوب اکسیپیتال: پوشاندن پشت سر که در درجه اول در پردازش بصری و وظایف تشخیص نقش دارد.
- قشر اکسیپیتال جانبی (LOC): تصاویر را از میدان دید محیطی پردازش می کند و اشیا را تشخیص می دهد.
- Insula: عملکردی در تعدیل پاسخ های عاطفی، ادغام اطلاعات از چندین سیستم مغزی، و ایفای نقش در خودآگاهی و همدلی دارد.
5. سیستم لیمبیک: شامل لوب های لیمبیک - اینسولا، آمیگدال، هیپوکامپ و پوتامن - است که تأثیرات قابل توجهی بر احساسات، انگیزه ها، تثبیت حافظه و تنظیم هیجانی دارند.
- آمیگدال: برای شرطی سازی ترس، پاسخ به استرس، لذت جویی، تسکین درد و ذخیره حافظه عاطفی حیاتی است.
- هیپوکامپ: نقش حیاتی در شکل گیری خاطرات جدید، سازماندهی خاطرات موجود و حفظ تاریخچه شخصی دارد.
- هسته اکومبنس: در ترشح دوپامین، سیگنالهای پیشبینی پاداش، اعتیاد لذتبخش و رفتارهای ریسکپذیر نقش دارد.
6. تالاموس: به عنوان ایستگاه رله ای عمل می کند که سیستم های حسی، قشر مغز، عقده های قاعده ای و مخچه را به هم متصل می کند. ارتباط بین این نواحی را تسهیل میکند و پیامهای کوتاهی به نام spike که اطلاعات را از یک قسمت مغز به قسمت دیگر منتقل میکند، منتقل میکند.
- Caudatum/putamen: در اجرای حرکات ارادی، یادگیری حرکتی و یکپارچگی حسی حرکتی شرکت کنید.
- گلوبوس پالیدوس: اعمال ارادی، سطوح برانگیختگی، منابع توجه و چرخه خواب را تنظیم می کند.
7. هیپوتالاموس: با تولید هورمون های لازم برای متابولیسم انرژی، تولید مثل، اشتها، ریتم شبانه روزی، تنظیم دما و حالت احساسی، هموستاز را کنترل می کند و محیط داخلی را حفظ می کند.
- غده هیپوفیز: هورمون هایی مانند هورمون رشد، پرولاکتین، هورمون آدرنوکورتیکوتروپیک (ACTH) و هورمون محرک فولیکول (FSH) را مخفی می کند.
- غده هیپوفیز قدامی: ترشح هورمون رشد را هدایت می کند و فشار خون را کنترل می کند.
8. طناب نخاعی: انقباضات غیرارادی ماهیچه ها را هماهنگ می کند و از عملکرد حرکتی در بخش های مختلف پشتیبانی می کند و به عنوان پلی بین ساقه مغز و انتهای عصب محیطی عمل می کند و حرکات ارادی را کنترل می کند.
9. ساقه مغز: شامل مراکز اصلی قشر مغز از جمله بصل النخاع، هسته قرمز، پونز و مغز میانی است.
علوم اعصاب انسانی از بدو پیدایش پیشرفتهای چشمگیری داشته است و الگوهای پیچیدهای از فعالیتهای عصبی را که زیربنای فرآیندهای ذهنی مختلف هستند، آشکار کرده است. تحقیقات انجام شده بر روی مغز انسان در رشتههای مختلفی مانند روانشناسی بالینی، علوم زیستی، علوم اعصاب محاسباتی و فیزیولوژی انجام شده و بینشهایی را در مورد مکانیسمهای اساسی حاکم بر ادراک، یادگیری، انگیزه، خلق و خو، احساسات، حافظه، شناخت و غیره ارائه میکند. در اینجا پیشرفت ها و یافته های کلیدی مربوط به مغز انسان در طول زمان آمده است:
1. تکنیک های تصویربرداری ساختاری و عملکردی:
- اسکنهای تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) و توموگرافی گسیل پوزیترون (PET) روشهای غیرتهاجمی را برای مطالعه جنبههای ساختاری مغز ارائه میکنند که تفاوتهایی را در تراکم بافت، اندازه و اتصال بین افراد نشان میدهد.
- تصویربرداری رزونانس مغناطیسی کاربردی (fMRI) به محققان اجازه می دهد تا تغییرات سیگنال وابسته به سطح اکسیژن خون (BOLD) مرتبط با فعالیت ها یا رویدادهای خاص را در زمان واقعی مشاهده کنند. این تکنیک در شناسایی شبکههای مغزی فعال شده در طول کارهایی که نیاز به توجه، شناخت و پاسخهای احساسی دارند، مفید بوده است.
- تصویربرداری تانسور انتشار (DTI) انتشار آب را در دستگاههای ماده سفید اندازهگیری میکند و به محققان اجازه میدهد تا ارتباطات بین مناطق مختلف مغز را تجسم کنند و بفهمند که چگونه به سازماندهی و عملکرد شبکه کمک میکنند.
2. نوروآناتومی و معماری سلولی:
- مطالعات میکروسکوپی با استفاده از میکروسکوپهای الکترونی آرایش پیچیده سلولها، مانند سلولهای عصبی و سلولهای گلیال را در نواحی مختلف مغز نشان میدهد که امکان تعیین دقیق مرزها و تعاملات آنها را فراهم میکند.
- تکنیکهای رنگآمیزی مانند پروبهای فلورسنت و لکههای نقره به شناسایی انواع خاصی از نورونها، سلولهای گلیال و ساختارهای پشتیبان در قسمتهای مختلف مغز کمک میکنند و به درک ما از عملکردهای تخصصی انجام شده توسط جمعیتهای سلولی متمایز کمک میکنند.
- هدف Connectomics ترسیم وسعت کامل مدارهای عصبی با فهرستبندی سیناپسهای منفرد و اتصالات بین نورونها، ارائه بینشهایی در مورد چگونگی ظهور ویژگیهای جهانی از قوانین محلی و تعاملات بین عناصر همسایه است.
3. مدل های بیماری و ژنتیک:
- آزمایشهای حیوانی ابزارهای ارزشمندی برای بررسی شرایط پاتوفیزیولوژیک مرتبط با بیماریهای تخریبکننده عصبی مانند بیماری آلزایمر، بیماری پارکینسون، صرع و مولتیپل اسکلروزیس فراهم کردهاند. این مطالعات ناهنجاری های مولکولی، تغییرات بیوشیمیایی، و اختلال عملکرد عصبی را که مشخصه این شرایط هستند، روشن می کند.
- عوامل ژنتیکی همچنین نقش اساسی در شکلگیری رشد مغز و حساسیت به بیماری، برجسته کردن آسیبپذیریهای ژنتیکی مشترک در بین گروههای قومی مختلف و افزایش علاقه به ترجمه یافتهها از موجودات مدل به انسان داشته است. پروژههای توالییابی ژنوم در مقیاس بزرگ، مانند پروژه ژنوم انسانی و پروژه 1000 ژنوم، انواع ژنتیکی متعددی را که در اختلالات رشد عصبی، تخریب عصبی و تواناییهای شناختی دخیل هستند، کشف کردهاند.
4. انعطاف پذیری عصبی و سازگاری:
- مطالعات با استفاده از اپتوژنتیک و میکروسکوپ دو فوتونی نشان داد که نورونهای منفرد را میتوان بدون آسیب رساندن به بافتهای اطراف به صورت «نوری» فعال یا خاموش کرد و وجود مدارهای عصبی بسیار پلاستیکی را نشان داد که قادر به سازماندهی مجدد خود در حین یادگیری و بهبودی از آسیب هستند.
- ضبطهای نوروفیزیولوژیک نشان میدهد که مغز میتواند بهسرعت قوای سیناپسی (پلاستیسیته سیناپسی) را پس از قرار گرفتن در معرض محرکها یا تجربیات جدید تغییر دهد و پاسخهای انطباقی انعطافپذیر را به محیطهای در حال تغییر ممکن میسازد.
- مدلسازی محاسباتی و چارچوبهای نظری، اصول زیربنای انعطافپذیری عصبی را بیشتر مورد بررسی قرار دادهاند، که نشان میدهد فرآیندهای هموستاتیک نقش مهمی در حفظ نرخ شلیک عصبی پایدار دارند و در عین حال پردازش اطلاعات کارآمد را تضمین میکنند.
5. عاطفه و مغز:
- ضبط EEG و MEG الگوهای ثابتی از فعالیت الکتریکی مرتبط با حالات عاطفی مختلف از جمله ترس، غم، شادی و تعجب را شناسایی کرده است.
- تکنیکهای تصویربرداری عصبی نشان دادهاند که مناطق خاصی از مغز زمانی فعال میشوند که افراد احساسات مثبتی را تجربه میکنند، مانند افزایش فعالسازی در قشر کمربندی قدامی، قشر جلوی مغز مخطط شکمی و قشر اوربیتوفرونتال. از سوی دیگر، احساسات منفی باعث فعال شدن قویتر در آمیگدال، قشر پیش حرکتی شکمی و OFC جانبی میشوند.
- مطالعات رفتاری پیوندهایی را بین حالات عاطفی و عملکردهای شناختی، از جمله تصمیم گیری، توجه، حافظه و خلاقیت ایجاد کرده است که بر تعامل بین این مؤلفه ها و شبکه های عصبی اساسی تأکید می کند.
6. آگاهی و ذهنیت:
- علیرغم پیشرفت در درک علمی از ساختار و عملکرد مغز، سؤالات در مورد ماهیت و منشأ آگاهی همچنان ادامه دارد.
در زیر لیست گستردهای از حقایق جالب در مورد مغز انسان آمده است که جنبههای مختلفی از اندازه و پیچیدگی آن گرفته تا روابط آن با رفتار و پدیدههای ذهنی را پوشش میدهد:
1. اندازه و جرم: مغز انسان بالغ تقریباً 1.37 گرم وزن دارد و حدود 85 سانتی متر مکعب (سانتی متر مکعب) را اشغال می کند. با توجه به وزن بدن، تقریباً 1.9٪ از کل توده بدن را تشکیل می دهد. به طور کلی زنان به دلیل سطوح بالاتر تستوسترون و استروژن پایین در دوران کودکی مغز کمی بزرگتر از مردان دارند.
2. تعداد نورون ها و سیناپس ها: تخمین زده می شود که 100 میلیارد نورون مغز انسان را تشکیل می دهد که مسئول انتقال تقریباً 500 ترابایت داده در هر روز از طریق میلیاردها سیناپس است. تقریباً 2 میلیون نورون مستقیماً به اعصاب حرکتی حرکت می کنند و حرکات ارادی عضلات را کنترل می کنند.
3. لایه ها و لوب های مغز: یک نمای ساده از مغز انسان را می توان به پنج لایه اصلی تقسیم کرد - ماده خاکستری قشری، ماده سفید زیر قشری، عقده های بازال، تالاموس و مخچه - و چهار لوب اصلی: پیشانی، جداری، تمپورال و اکسیپیتال نواحی قشری شامل پردازش حسی سطح بالا، استدلال، برنامه ریزی و عملکردهای اجرایی است، در حالی که سیستم های لیمبیک عمدتاً احساسات، رفتارهای انگیزشی و تنظیم پاسخ های سیستم عصبی خودمختار را کنترل می کنند.
4. ساختار ماده خاکستری و غلاف میلین: ماده خاکستری از نورون ها و سایر اجزای سلولی تشکیل شده است که شبکه های پیچیده ای را تشکیل می دهد که در ماژول های عملکردی مختلف سازماندهی شده اند. میلین دور آکسون ها می پیچد و آنها را در برابر تداخل الکترومغناطیسی عایق می کند و انتقال سریع سیگنال های الکتریکی در طول رشته های عصبی را تسهیل می کند.
5. تخصص نیمکره: هر دو نیمکره مغز دارای مجموعه های تقریباً یکسانی از هسته هستند اما از نظر عملکرد و پوشش فضایی تفاوت قابل توجهی دارند. نیمکره چپ بر مهارت های زبانی و پردازش بصری تسلط دارد، در حالی که نیمکره راست در پردازش شنوایی، محاسبات ریاضی و هماهنگی حرکت برتری دارد.
6. سیگنال دهی و متابولیسم درون سلولی: ارتباط بین نورون ها بر پروتئین های تخصصی به نام کانال های یونی، ناقل ها و لیگاندهایی است که در سیگنال دهی کلسیم درون سلولی، آزادسازی گلوتامات و متابولیسم انرژی نقش دارند.
7. رشد و نمو: مغز انسان در طول زندگی، به ویژه در اوایل دوران نوزادی، نوجوانی و بلوغ به رشد خود ادامه می دهد. در این دوره، نورونهای جدید متولد میشوند، در حالی که نورونهای موجود تحت آپوپتوز (مرگ برنامهریزیشده سلولی) قرار میگیرند که منجر به تعادل مداوم تعداد نورونها و حفظ حجم کلی مغز میشود.
8. تشکیل حافظه: خاطرات درازمدت در هیپوکامپ و قشر آنتورینال ذخیره میشوند که شامل ادغام ورودیهای حسی با تداعیهای متنی اپیزودیک است. در همین حال، حافظه کوتاه مدت عمدتاً در نئوکورتکس عمل می کند و از اصل منابع توجه برای حفظ تمرکز و اولویت بندی اطلاعات مربوطه استفاده می کند.
9. یادگیری و سازگاری: انعطاف پذیری عصبی مغز را قادر می سازد تا نقاط قوت سیناپسی را اصلاح کند و تجربیات جدید را ادغام کند و در نتیجه یادگیری و سازگاری در حوزه های مختلف مانند مهارت های حرکتی، تعامل اجتماعی، تنظیم هیجان و رشد شناختی را به همراه دارد.
10. آسیب و تروما: تروما، سکته مغزی، آسیب به سر، بیماری های عصبی، یا پیری می تواند منجر به آسیب غیرقابل برگشت به مغز شود و باعث از دست دادن عملکرد و کاهش بالقوه عصبی شناختی شود. بهبودی هم به درمانهای توانبخشی فوری و هم به بهبود طولانیمدت در عوامل محافظتی مانند تغذیه مناسب، مدیریت استرس و واکسیناسیون بستگی دارد.
11. هوش و هوشیاری اجتماعی: در حالی که هنوز تا حد زیادی ناشناخته است، شواهد فزاینده ای وجود دارد که نشان می دهد معماری های پیشرفته مغز ممکن است تعاملات اجتماعی و همدلی افزایش یافته را تسهیل کند و به طور بالقوه برخی از جنبه های آگاهی را فراتر از فرآیندهای فیزیکی صرف توضیح دهد.