مغز چگونه کار می‌‌کند؟ به بیان خاص‌تر، مغز چگونه اطلاعات محیط اطراف ما را پردازش و بازنمایی می‌‌کند؟

آیا دستورالعمل‌هایی را ایجاد می‌‌کند؟ آیا اطلاعات جدیدی را بدست می‌‌آورد و ذخیره می‌‌کند؟ رویدادهای گذشته را به یاد می‌‌آورد؟

این موارد سؤالاتی هستند که تخیل را درگیر می‌‌کنند.
با این حال، به‌ندرت این سؤال مطرح می‌‌شود: «منظورمان از مغز چیست؟» اکثر مردم احتمالاً پاسخ می‌‌دهند: «مغز انسان».

با این حال، روش‌‌های تحقیقی در مطالعات مغز انسان محدود است، و حیوانات آزمایشگاهی متعدد، با شیوه‌های زندگی منحصر به فرد، در اکتشاف علمی نقش مهمی دارند.
محققان، جهت درک واقعی مبانی زیست‌شناختی شناخت و رفتار، باید مغز کل سلسلۀ حیوانات را بررسی و مقایسه کنند.
در دهه‌‌های اخیر، روش‌‌های جدید ارزشمندی تدوین شده است که در انسانی که وظایف شناختی را انجام می‌‌دهد به بررسی فعالیت مغز می‌‌پردازد.
با این حال، تفکیک فضایی و زمانی این روش‌های غیر تهاجمی موجب محدودسازی قابل‌توجه آموختنی‌‌های مربوط به عملکرد مغز می‌‌شود.

علاوه بر این، بسیاری از روش‌‌های تهاجمی که بررسی عملکرد مغز، به‌ویژه مغزهایی که در سطح سلولی و مولکولی اندازه‌گیری می‌‌کنند (مانند قرار دادن الکترودها جهت ثبت سیگنال‌‌های الکتریکی نورون‌ها)، را نمی‌‌توان روی آزمودنی‌‌های انسانی انجام داد، و اکثریت بالای پژوهش‌‌های علوم اعصاب با هدف پیوند دادن اکتشافات به عملکرد مغز انسان بر پایۀ آزمودنی‌‌های حیوانی غیر انسانی، اغلب جوندگان، انجام می‌‌شود.

بسیاری از دانشمندان علوم اعصاب موافقند که ویژگی‌‌های مشترکی در سیستم‌‌های عصبی حیوانات وجود دارد که می‌‌توان از طریق تحقیقات دقیق کشف کرد.
با این حال، اگر فقط مغز یک گونه را مطالعه کنیم، مطمئناً نمی‌توانیم بدانیم که چه ویژگی‌هایی مشترک هستند.

در علوم اعصاب فرهنگی وجود دارد که دانشمندان را تشویق می‌‌کند به سؤالات پژوهشی با مجموعۀ محدودی از حیوانات آزمایشی، مانند موش‌های عادی و صحرایی، بدون توجه به عرف، راحتی و رقابت بپردازند، نه به این دلیل که برای پاسخ دادن به یک سؤال پژوهشی خاص مناسب‌ترند.

در این زمینه، قابل‌توجه است که بسیاری از مطالعات مبتنی بر جوندگان اطلاعاتِ گونه را در عنوان مقاله حذف می‌‌کنند، و این نظر ساده‌لوحانه را می‌‌رسانند که یافته‌های «یک مغز واقعی» را گزارش می‌‌کنند.

برای درک اینکه مغز چگونه عملکرد را تولید می‌‌کند، پرداختن به مطالعات تطبیقی روی حیوانات مختلفی ضروری است که جهت انجام وظایف متنوع طبیعی و بررسی دقیق آزمودنی‌های حیوانی فرگشت یافته‌اند که برای رفع مسائل خاص تحقیقاتیِ مورد بررسی تناسب خوبی دارند.

مطالعات تطبیقی می توانند نشان دهند که کدام ویژگی‌‌های سیستم‌‌های مغز در سطوح سلولی-مولکولی، فیزیولوژیک و آناتومیکی در بین حیوانات مشترکند و کدام‌ها مختص گونۀ خاصی هستند.

ویژگی‌‌های مشترک موجود در میان گونه‌‌ها می‌‌تواند به ما در شناسایی اصول عمومی طراحی و عملکرد سیستم عصبی کمک کند.
رویکردهای تطبیقی در علوم اعصاب از طریق اصلی شکل گرفته است که آگوست کروگ، برندۀ نوبل، در سال 1929 بیان کرد: «برای چنین مسائل زیادی، حیوانات انتخابی یا چند حیوان وجود خواهد داشت که مطالعۀ روی آنها راحت‌تر است.»
#جناب_مانی_منوچهری

مثلاً، آزمایش‌های بر روی پردازش دیداری در خرچنگ نعل اسبی Horseshoe crab، که به خاطر تناسب آن برای پاسخ‌دهی به سؤالات پژوهشی خاص انتخاب شده است، اثر شدیدی بر علوم اعصاب داشته‌اند.
#جناب_مانی_منوچهری

خرچنگ نعل اسبی از بینایی برای تشخیص تغییر سطح نور و یافتن جفت استفاده می‌‌کند. چشم مرکب دارند که از لحاظ آناتومیکی با چشم انسان و دیگر حیوانات مهره‌دار بسیار متفاوت است.
#جناب_مانی_منوچهری

این عامل باعث شده است دانشمندان بتوانند آزمایش‌‌های پیشگامانه‌ای انجام دهند و فرصت اکتشافات بزرگ را مهیا کرده است.
چشمان مرکب خرچنگ‌های نعل اسبی از تقریباً حدود هزار اماتیدی تشکیل شده است که هر کدام یک قرنیه، عدسی و گیرنده‌هایی دارند که به نور پاسخ می‌‌دهند، درست مثل سلول‌های استوانه‌ای و مخروطی چشم انسان.

گیرنده‌‌های دیداری خرچنگ نعل اسبی تقریباً صد برابر بزرگ‌تر از سلول‌های استوانه‌ای و مخروطی پستانداران است و لذا دانشمندان می‌‌توانند در سلول‌‌های دیداری مجاور فعالیت ناشی از نور را جدا و اندازه‌گیری کنند.

اچ‌کی هارتلاین و همکارانش دریافتند که تحریک نوری یک سلول دیداری در جهت خاموش کردن فعالیت در سلول‌‌های مجاور عمل می‌‌کند. کشف «مهار جانبی» هارتلاین در جشم خرچگ نعل اسبی، کاری که در سال 1967 به وی جایزۀ نوبل اعطا کرد، موجب تحقیقات گسترده‌تری شد که از شواهد مهار جانبی در بینایی، لامسه و شنوایی پستانداران پرده برداشت و نیز اطلاعاتی در خصوص ارتقای ادراکی لبه‌‌ها در مرزهای محرک در آزمودنی‌‌های انسانی فراهم کرد.

مطالعات تطبیقی در علوم اعصاب، که مشاهدات مربوط به رفتارهای طبیعی حیوانات به آن جهت می‌‌دهد، می‌‌تواند به دانشمندان کمک کند تحقیقاتشان را روی فرایندهای مهم عملکردی عصبی متمرکز کنند.

#جناب_مانی_منوچهری

مثلاً، جغد سینه‌خال‌ Barn owl شکارچیان شبانه هستند که برای پیدا کردن غذا به شنیدن وابستگی دارند؛ این حیوانات در درختان بلند جای می‌گیرند و، همانطور که در پوشش گیاهی و برگ‌ها سریع حرکت می‌کنند، به صداهای تولیدشده توسط شکار گوش می‌‌دهند.
#جناب_مانی_منوچهری

مشاهدات مربوط به طرز شکار کردن جغد سینه‌خال‌ به مطالعات رفتاری مفصل روی دقت محل‌یابی صدا در این حیوانات انجامید.
جغد سینه‌خال برای محل‌یابی صدا در صفحۀ عمودی از مکان نامتقارن گوش بهره می‌‌گیرد، که سبب تفاوت در میزان صدا در گوش راست و چپ می‌‌شود.
برای محل‌یابی منابع صدا در صفحۀ عمودی، جغد تفاوت زمان ورود صدا در دو گوش را محاسبه می‌‌کند.
#جناب_مانی_منوچهری

این مشاهده به مطالعۀ دقیق سیستم شنوایی جغد انجامید و نشان داد که محاسبۀ مسیر منبع صوتی بر اساس دو عملیات مهم است: خطوط تأخیر و آشکارسازهای تصادف.
خطوط تأخیر از طریق آکسون هایی با طول مختلف ایجاد می‌‌شوند که به‌طرز نظام‌مندی روی نورون‌‌ها در مکان‌‌های مختلف یک ساختار شنوایی ساقۀ مغز به‌نام نوکلئوس لامیناریس پخش می‌‌شود.

آشکارسازهای تصادفی نورون‌های نوکلئوس لامیناریس هستند که فقط زمانی آتش می‌‌گیرند که همزمان از طریق ورودی خطوط تاخیر برای یک تفاوت زمانی خاص بین‌گوشی فعال شوند که حاکی از مسیر منبع خاص صداست.
#جناب_مانی_منوچهری

آرایش تشریحی خطوط تاخیری و آشکارسازهای تصادف نقشه‌ای از محل منبع صدا را در سیستم شنوایی مرکزی جغد ایجاد می‌‌کند.
تخصص‌های مربوط به محل‌یابی صدا در این حیوان بر اهمیت رمزگذاری فضایی و زمانی اطلاعات شنوایی تأکید دارد و درک گسترده‌ای از شنوایی را در طیف وسیعی از گونه‌ها شکل می‌‌دهد.
#جناب_مانی_منوچهری

یکی دیگر از نمونه‌های شگفت‌انگیز حیوانات تخصصی که اصول مهم عملکرد سیستم عصبی را نشان می‌‌دهد موش کور آمریکایی star-nosed mole است.
#جناب_مانی_منوچهری

این حیوان بیست و دو زائدۀ گوشتی در اطراف خرطوم آن دارد که برای تشخیص و تمایز دادن طعمه در تالاب‌ها استفاده می‌‌‌کند.
زوائد این موش ارگان‌های لمسی بسیار حساسی هستند که بیش از 25 هزار گیرندۀ حسی دارد و نام آن ارگان‌ ایمر است.

دو زائده در امتداد خط وسط اطلاعات بسیار مفصلی دربارۀ اشیا ارائه می‌‌دهد و، به همین علت، با بخش مرکزی شبكيه انسان به‌نام فوِآ مقایسه شده‌اند.

قابل‌توجه است که این موش زوائد لمسی‌اش را به‌سرعت برای تمایز دادن طعمه حرکت می‌‌دهد.
بیش از نیمی از مغز این حیوان به پردازش اطلاعات لامسه از 22 زائده اختصاص یافته است، هر چند ستارۀ اطراف خرطوم آن تنها حدود 10 درصد بدن موش را تشکیل می‌‌دهد.
درون قشر حسی‌پیکری موش کور آمریکایی، نمای بزرگی از زوائد ستاره‌ای خط وسط وجود دارد که، شبیه به ناحیۀ گسترش‌یافتۀ قشر دیداری نشانگر فوآي بسیار تیز انسان، اطلاعات با وضوح بالایی حمل می‌‌کنند.

تخصص‌های موش کور آمریکایی دربارۀ فیزیولوژی و آناتومی سیستم‌های لامسۀ پستانداران اطلاعات عمومی ارزشمندی بدست می‌‌دهد، و بر دو اصل اساسی تأکید دارد: اهمیت حرکت برای حسگری و بزرگی میزانی از بافت مغز که برای تمایز ظریف حسی اختصاص‌ یافته است.

مطالعات تطبیقی روی سیستم‌های حسی که در شرایط مختلف محیطی عملکردهای‌ قابل‌مقایسه‌ای دارند می‌‌توانند اصول کلی پردازش اطلاعات عصبی را روشن کنند.
#جناب_مانی_منوچهری

مثلاً، پریمات‌ها برای پیدا کردن غذا در روز روشن وابستگی زیادی به بینایی دارند، در حالی که خفاش‌های دارای سویابی پژواکی برای محل‌یابی حشرات طعمه در تاریکی وابستگی زیادی به شنوایی دارند.

اگر چه نور مستمراً برای حیواناتی که از بینایی استفاده می‌‌کنند در محیط در دسترس است، خفاش‌های دارای سویابی پژواکی باید صداهایی را تولید کنند که از اشیای محیط بازتاب‌هایی را برمی‌گرداند.

ویژگی‌های بازتاب‌های صوتی، مانند شدت، میزان فرکانس و زمان رسیدن، به خفاش اجازه می‌‌دهد تا اشیا را با دقت بالا در تاریکی کامل تمایز دهند و محل‌یابی کنند.

در سطح، این دو سیستم حسگری دیستال، بینایی و سویابی پژواکی، بسیار متمایز بنظر می‌‌رسند. با این حال، داده‌های تجربی شباهت‌های قابل‌توجهی میان بینایی پریمات و سویابی پژواکی خفاش در سازوکارهای كنترل نگاه خیره، پاسخ‌‌های عصبی به موقعیت محرک، و تأثیر توجه فضایی بر الگوهای فعالیت عصبی را نشان می‌‌دهد.
این یافته‌‌ها نشان می‌‌دهد که می‌‌توانیم از طریق مقایسۀ دقیق سیستم‌های حسی مختلف در طیف وسیعی از گونه‌ها درک وسیع‌تر و عمیق‌تری از نحوۀ پردازش اطلاعات محیط توسط مغز داشته باشیم.

در مورد تحقیقات شبکه‌های بزرگ‌تر نورون‌ها در سیستم‌‌های مغز پستانداران، اصل کروگ گاهی از دست می‌‌رود یا فراموش می‌‌شود.

در عوض، دانشمندان علوم اعصاب معمولاً بدون توجه به تفاوت‌های گونه‌ای از مدل‌های حیوانات آزمایشگاهی سنتی، جوندگان، استفاده می‌‌کنند.

واقعیت این است که مغز موش عادی و موش صحرایی‌ در مقایسه با گونه‌هایی که عجیب و غریب محسوب می‌شوند، مانند خفاش یا موش کور آمریکایی، به مغز انسان شبیه‌تر نیست.
در واقع، مطالعات رهیابی فضایی روی خفاش‌‌ها بر اهمیت تحقیقات تطبیقی برای جدا کردن تخصص‌ها از کلیات تأکید دارند

.#جناب_مانی_منوچهری

مطالعات پیشگام جان او کیف و همکاران روی سازوکارهای رهیابی فضایی در جوندگان به کشف «سلول‌های مکانی» انجامید، نورون‌هایی در هیپوکامپ که زمانی فعال‌ترند که حیوان ناحیۀ محدودی در محیطش را اشغال می‌‌کند و مکان‌های مرتبط با شلیک عصبی «میدان‌های مکانی» نامیده می‌‌شوند .

وقتی میدان‌های مکانی هیپوکامپ در شرایط روشن‌ قرار می‌‌گیرند، الگوهای فعالیت در تاریكی ماندگار می‌‌روند، که نشان می‌‌دهد در حافظۀ فضایی نقش دارند.
مای-بریت موزر، ادوارد موزر و همکاران جمعیت دیگری از نورون‌ها را در تشکیلات هیپوکامپ جوندگان نشان دادند که میدان‌های مکانی دوره‌ای دارد؛ این میدان‌ها در یک شبکۀ مثلثی قرارگیری منظمی دارند.
این «سلول‌های شبکه‌ای»، که در ناحیۀ مغزی اطراف هیپوکامپ قرار دارند، در اندازه‌گیری فاصله و تعیین مسیر در هنگام حرکت در جهان دخیل هستند.
او کیف، می-بریت موزر، و ادوارد موزر به‌خاطر تحقیقات ظریفشان در علوم اعصاب سیستم‌ها، جایزۀ نوبل سال 2014 را کسب کردند.

سلول‌های مکانی و سلول‌های شبکه‌ای اخیراً در پستانداران دیگر، به‌ویژه انسان‌ها، پریمات‌های غیر انسانی، و خفاش‌ها شناخته شدند.

در حالی که کشف سلول‌های مکانی و شبکه‌ای‌ در چندین گونۀ مختلف به معنای سازوکارهای عمومی است، کاوش عمقی‌تر در داده‌های تطبیقی در مورد اینکه چگونه این نورون‌ها ویژگی‌هایشان را بدست می‌‌آورند سؤالاتی را مطرح می‌‌کند.

برای درک این مسئله که چگونه سلول‌های مکانی و سلول‌های شبکه‌ای فعالیت وابسته به مکان خود را به‌دست می‌‌آورند تحقیقات زیادی اختصاص یافته است.

در جوندگان، الگوهای شلیک عصبی سلول‌‌های مکانی و شبکه‌ای با فاز موج مغزی، به‌نام ریتم تتا، گره خورده است، که در 5-12 هرتز نوسان دارد.
ً
همانطور که جوندگان محیط را از طریق حرکت می‌کاوند، این موج مغزی در هیپوکامپ حرکت پیوسته‌ای دارد.

محققان بسیاری از ریتم تتای پیوسته را به ایجاد فعالیت شلیک سلول مکانی و شبکه‌ای نسبت داده‌اند و تست‌‌های آزمایشگاهی در جوندگان شواهد قانع‌کننده‌ای برای مدل ریتم تتای بازنمایی فضایی ارائه می‌‌دهد.

با این حال، داده‌‌های تطبیقی این مدل را به چالش می‌‌کشد.

ریتم مغزی تتا در انسان‌ها، پریمات‌های غیر انسانی، و خفاش‌‌ها به‌طرز قابل‌توجهی حرکت پیوسته ندارد، بلکه گسسته است.

بنابراین، نبود ریتم تتای پیوسته در پریمات‌ها و خفاش‌ها سؤالات خاصی را مطرح می‌‌کند: آیا سازوکارهای مختلفی در جوندگان و دیگر پستانداران در بازنمایی فضا وجود دارد؟ یا آیا ریتم تتای پیوسته در بازنمایی فضایی در هیچ گونه‌ای دخیل نیست؟

مهم است که این مثال ما را به پرسش کلی‌تر باز می‌گرداند: اگر فقط در یک گونه عملکرد مغز را بررسی کنیم، دربارۀ خود مغز چه یاد می‌‌گیریم؟

#جناب_مانی_منوچهری