آگاهی یکی از معجزه‌آساترین اسرار مغز است. یک تئوری جدید، با الهام از ترمودینامیک، چشم انداز سطح بالایی از چگونگی سازماندهی شبکه های عصبی در مغز برای ایجاد خاطرات، تفکر و آگاهی در نظر می گیرد. نکته اصلی آگاهی، جریان انرژی است: وقتی سلولهای عصبی برای پشتیبانی از پردازش اطلاعات به طور عملکردی به یکدیگر متصل باشند، الگوهای فعالیت آنها مانند امواج اقیانوس همزمان می شوند.
این فرآیند ذاتاً توسط اصول ترمودینامیکی هدایت می شود، که – مانند یک دست نامرئی – اتصالات عصبی را تقویت می کند تا به آگاهی کمک کند. اختلال در این فرایند باعث شکستن برقراری ارتباط بین شبکه های عصبی شده و منجر به اختلالات عصبی مانند صرع، اوتیسم یا اسکیزوفرنی می شود.
دکتر خوزه ال. ، نویسنده این مطالعه اظهار داشت: با استفاده از اصول ترمودینامیکی مانند گرادیان انرژی، اتلاف و رویکرد به تعادل، راهی برای شروع درک و یا توصیف چگونگی “اتفاقات ذهنی” و چگونگی انحراف بعضی اوقات به سمت بیماریهای عصبی داریم.
این نتایج، در مجله Frontiers in Neuroscience منتشر شد.
حالات انرژی به عنوان یک اصل راهنما
دانشمندان مدتهاست که فرض کرده اند که آگاهی از فعالیت هماهنگ شده بین نورون ها، که به طور گسترده در مغز پخش می شود، ناشی می شود.
یک چارچوب، نظریه (Global Workspace)، تصریح می کند که برخی از مناطق مغز اطلاعات را در فضا و زمان در تعداد زیادی از مناطق مغزی متصل به هم، ادغام می کنند، در نتیجه داده هایی که برای فرآیندهای متنوعی از جمله حافظه، توجه و زبان مورد نیاز هستند، ایجاد می شوند.
فرضیه دیگر، نظریه اطلاعات یکپارچه (Integrated Information Theory)، معتقد است که آگاهی نتیجه مغز به شدت به هم پیوسته است، که می توان میزان آن را تعیین کرد.
با وجود چندین دهه کار، این تئوری ها مستقیماً پاسخگوی سؤال سخت تر نبودند: اصول راهنمای این اتصالات چیست، که در نتیجه آن آگاهی در مغز پدید می آید؟ از آنجا که تلاش روز افزون بر برقراری ارتباط با بیماران و تعیین هوشیاری در دستگاه های هوشمند متمرکز است، دستیابی به اصول بیولوژیکی که منجر به سازماندهی مغز می شود، بسیار مهم می شود.
کار جدید فیزیک کلاسیک، به ویژه برخی از قوانین ترمودینامیک، ثبت های مدرن از فعالیت عصبی، را مهیا می کند تا یک چارچوب کلی از چگونگی تغییر در انرژی آزاد – میزان انرژی موجود در یک سیستم – را به طور همزمان در فعالیت شبکه های عصبی ترسیم کند.
در طی حالات آگاهانه، مغز مجبور است به طور فعال اطلاعاتی را از حواس مختلف ادغام و تفکیک کند و بنابراین انرژی بیشتری را نسبت به زمان ناخودآگاه مصرف می کند. این تیم ثبت های عصبی موجود از شرکت کنندگان انسانی در هنگام بیداری، خواب، کما و تشنج – که هر کدام یک “ماکروستات مغز” قلمداد می شوند – را دریافت کردند.
این تیم دریافتند که آنتروپی در هنگام آگاهی بیشتر از حالت های ناخودآگاه است. به عنوان یک مفهوم، آنتروپی را می توان از بسیاری جهات خاص تفسیر و اندازه گیری کرد. در اینجا، آنتروپی با تعداد پیکربندی شبکه های مغز هماهنگ شده یا “متصل” همراه است.
پرز ولازکز و همکاران خاطر نشان می کنند: “با اتصال بیشتر نورونها، انرژی بیشتری از بین می رود.” مدلهایی که از معادلات ترمودینامیکی استفاده می کنند نشان می دهند که مغز در حالات سالم و آگاه تمایل به اتلاف بیشتر انرژی دارد.
با این حال، این فقط مربوط به میزان انرژی آزاد در مغز نیست.
هر ماکرواستات از چندین میکروستات قابل تنظیم تشکیل شده است. در طول آگاهی، مغز دارای تعداد بهینه از شبکه های عصبی متصل و بسیاری از میکرواستات های بیشتر برای پشتیبانی از شناخت است. در مقابل، در حالت های ناخودآگاه مانند تشنج، شبکه های عصبی متصل زیادی وجود دارد که منجر به میکرواستات کمتری می شوند – و بنابراین، آنتروپی پایین و انرژی آزاد بالاتر، باعث نقص عملکرد مغز می شود.
“بنابراین حفظ حالت های سالم مغز درمورد میزان کل انرژی موجود در مغز نیست، بلکه در نحوه ی سازماندهی انرژی است.”
یک اصل کلی از سازمان مغز
مشاهده سازماندهی مغز از دیدگاه شیب انرژی و اتلاف در یک نظریه – یا به طور آزمایشی، یک “اصل”، می تواند حالتهای سالم و آگاهانه مغز را از حالتهای ناخودآگاه جدا کند. بنابراین تیم معتقد است که از روش آنها می توان برای روشن تر کردن آنچه اتفاق می افتد هنگام شکستن آگاهی، به عنوان مثال، در برخی از تشنج های صرعی استفاده کرد.
برای اطلاعات بیشتر به موسسه سلامت مغز دانا مراجعه کنید.
منبع:
“On a Simple General Principle of Brain Organization”. Jose L. Perez Velazquez, Diego M. Mateos and Ramon Guevara Erra.
Frontiers in Neuroscience
درباره نویسنده
دکتر علی محمد کمالی فارغ التحصیل دکترای تخصصی علوم اعصاب از دانشگاه علوم پزشکی شیراز، بیش از 15 سال است که در زمینه پژوهش، تدریس و فعالیت های اجرایی در حوزه علوم اعصاب فعالیت و تجربه دارد. وی همچنین در ارتقا عملکرد های شناختی با استفاده از نوروتکنولوژی و مطالعات خواب تخصص ویژه ای دارد. او یکی از بنیانگذاران انستیتو سلامت مغز دانا است، (گروهی که سلامت مغز را اولویت جامعه می داند).
دکتر کمالی بیش از 50 مقاله پژوهشی (h-index 13) در مجلات معتبر علمی به چاپ رسانده و در حال حاضر مدیر عامل انستیتو سلامت مغز دانا است. بعلاوه به عنوان پژوهشگر ارشد واحد مغز، شناخت و رفتار دپارتمان علوم اعصاب دانشگاه علوم پزشکی شیراز مشغول فعالیت می باشد. می توانید پژوهش او را در Google Scholar دنبال کنید.
دکتر کمالی علاوه بر تخصص در زمینه علوم اعصاب، سال ها است که به عنوان مدیر اجرایی مجله علوم پزشکی پیشرفته و فناوری های کاربردی (JAMSAT) مشغول به فعالیت است. همچنین به عنوان دبیر اجرایی انجمن علوم اعصاب ایران شاخه فارس فعالیت می کند.