13 دقیقه
یک روش جدید تحریک غیرتهاجمی مغز — اولتراسوند متمرکز عبوری (transcranial focused ultrasound) — در آستانهٔ تغییر نحوهٔ بررسی یکی از قدیمیترین معماهای علم است: چگونه فعالیت فیزیکی در مغز تجربهٔ آگاهانه را پدید میآورد. پژوهشگران مؤسسهٔ فناوری ماساچوست (MIT) و مؤسسات همکار، یک نقشهٔ راه عملی برای استفاده از این فناوری منتشر کردهاند که میتواند در مطالعات آگاهی از همبستگی به علیّت پیش برود و در نتیجه فرصتهایی برای آزمون نظریههای رقیب و بررسی ساختارهای عمیق مغز که پیشتر تنها در جراحی قابل دسترسی بودند فراهم کند.
چرا اولتراسوند متمرکز اهمیت دارد: اهرمی تازه روی مغز زنده
تحقیقات آگاهی تا کنون عمدتاً به ابزارهای مشاهداتی متکی بودهاند: MRI برای نقشهبرداری ساختار مغز، EEG برای اندازهگیری ریتمهای الکتریکی، و آزمایشهای رفتاری برای استنتاج ادراک و هوشیاری. این روشها در توصیف این که کدام نواحی مغز در زمان انجام یک وظیفه فعال میشوند قدرتمند هستند، اما سؤال علمی مرکزی را بیپاسخ میگذارند: کدام فرایندهای عصبی فعالانه تجربهٔ آگاهانه را تولید میکنند و کدام فرایندها صرفاً پسزمینه یا پیآمد آن هستند؟ موضوع تشخیص علیت در علوم اعصاب از مسائل کلیدی باقی مانده است.
اولتراسوند متمرکز عبوری (tFUS) رویکرد متفاوتی ارائه میدهد. با ارسال انرژی صوتی دقیق و متمرکز از طریق جمجمه، tFUS قادر است نورونها را در منطقهای به عرض چند میلیمتر تعدیل کند و به ساختارهای زیرقشرِ مغز تا چند سانتیمتر زیر پوست سر برسد. برخلاف تحریک الکتریکی تهاجمی، این روش نیازی به جراحی ندارد و میتواند اهداف عمیقتر را با دقت مکانیای که با برخی روشهای غیرتهاجمی دیگر مانند تحریک مغناطیسی فراجمجمهای (TMS) یا تحریک الکتریکی فراجمجمهای (tES) قابل قیاس است — و در برخی موارد از آنها فراتر میرود — مورد هدف قرار دهد. این ظرفیت برای دسترسی به نواحی زیرقشری و تمرکز بالا، tFUS را به ابزاری بالقوهٔ تعیینکننده در مطالعات علت و معلول در مغز تبدیل میکند.
توانایی برهمزدن مستقیم فعالیت به پژوهشگران یک ابزار علیتی میدهد: فعالیت در یک ناحیهٔ مشخص را تغییر دهید و مشاهده کنید آیا ادراک، درد یا فکر نیز تغییر میکند یا خیر. اگر دستکاری هدفمند تجربهٔ آگاهانه را تغییر دهد، آن ناحیه به احتمال زیاد عنصر مولد یا جزء ضروری آن تجربه است و نه صرفاً مشاهدهگر همزمان. این نوع آزمایشها میتوانند تفاوت بین همبستگیِ صرف و نقشهای ضروریِ شبکههای عصبی را روشن کنند و بدین ترتیب دانشمندان را از نقشهبرداری توصیفی به سمت تبیین مکانیزمی سوق دهند.
از منازعهٔ نظری تا آزمایشهای قابل آزمون
یکی از بازدههای علمی فوری tFUS، توانایی آن در آزمودن چارچوبهای رقیب دربارهٔ آگاهی است. به طور کلی، دو دیدگاه در مناظرهٔ فعلی غالباند. دیدگاه «شناختگرا» استدلال میکند که تجربهٔ آگاهانه به فرایندهای فراتر از سطح پایه نیاز دارد — یکپارچگی در سراسر شبکههای پخششدهٔ مغزی، بهویژه نواحی پیشانی که مسئول استدلال، توجه و خودبازتابی هستند. در مقابل، دیدگاه «غیرشناختگرا» پیشنهاد میدهد که الگوهای عصبی خاص و احتمالاً موضعی برای پدید آمدن تجارب معینی کافیاند: بینایی، درد یا احساسات ساده میتوانند از فعالیت در قشر پسین یا مدارهای زیرقشری عمیقتر پدید آیند بدون آن که الزاماً به ماشینآلات فراگیر پیشانی نیاز باشد.
آزمایشهای tFUS میتوانند بهمنظور داوری میان این ایدهها طراحی شوند. برای مثال، پژوهشگران میتوانند از پالسهای متمرکز برای ایجاد اختلال گذرا در فعالیت قشر پیشپیشانی استفاده کنند در حالی که داوطلبان محرکهای بصری را مشاهده میکنند. اگر ادراک آگاهانه ناپدید شود یا تغییر کند، این نتایج از این ایدۀ ضروری بودن شبکههای پیشانی حمایت خواهد کرد. اگر ادراک با وجود اختلال پیشانی ادامه یابد اما نسبت به تحریک نواحی پسین یا زیرقشری حساس باشد، این نتیجه به نفع منشأ موضعیتر برای برخی از تجارب خواهد بود. چنین آزمایشهایی با ترکیب گزارشهای ذهنی سوژه، دادههای EEG و معیارهای رفتاری میتوانند از شواهد علیتی قوی پشتیبانی کنند.
پژوهشگران همچنین میتوانند مسئلهٔ «یکپارچگی» یا binding problem را بررسی کنند: چگونه ورودیهای حسی متمایز از نواحی مختلف مغز به یک صحنهٔ آگاهانهٔ واحد ترکیب میشوند. با افزایش یا کاهش انتخابی فعالیت در گرههای جداشدهٔ سیستم بینایی و اندازهگیری گزارشهای ذهنی («آیا جرقهٔ نوری را دیدید؟ آیا واضح بود یا مبهم؟»)، محققان میتوانند آزمایش کنند که چگونه شبکههای توزیعشده برای تولید یک ادراک یکپارچه همگام میشوند. این رویکرد میتواند به درک چگونگی هماهنگی فاز، همبستگی عصبی و نقش مسیرهای زیرقشری در یکپارچگی تجربه کمک کند.
آزمایشهای برنامهریزیشده و ملاحظات عملی
تیمهایی در MIT و مؤسسات شریک در حال گذار از نظریه به عملاند. آزمایشهای اولیه بر روی قشر بینایی متمرکز خواهند شد، جایی که شرایط محرک و گزارشهای ذهنی را میتوان با دقت کنترل کرد. وظایف بصری پنجرهٔ قابل دسترس و روشنی به ادراک ارائه میدهند: پژوهشگران میتوانند جرقههای نوری را مطرح کنند، کنتراست یا زمانبندی را متغیر سازند، و آن تغییرات را با گزارشهای ذهنی و ثبتهای همزمان EEG همبسته کنند تا رابطهٔ مستقیم بین تغییرات عصبی القا شده و تجربهٔ آگاهانه اندازهگیری شود.
مطالعات بعدی به نواحی سطح بالاتر در قشر پیشانی و اهداف زیرقشری مرتبط با هیجان و درد گسترش خواهند یافت. مطالعهٔ درد به ویژه یک مورد آزمون جذاب است: معمولاً قبل از ثبت کامل حس آگاهانهٔ درد، از یک سطح گرم دست برمیداریم. این پرسش مطرح میشود که کدام مدارها احساس آگاهانهٔ درد را تولید میکنند؟ آیا مناطق قشری، هستههای عمیق مغز، یا ترکیبی از هر دو نقش دارند؟ tFUS میتواند فعالیت در مناطق نامزد شده را تغییر دهد و نشان دهد آیا این تغییرات گزارشهای افراد دربارهٔ شدت یا کیفیت درد را جابجا میکند یا خیر. چنین نتایجی میتواند فهم مکانیزمهای درد، از جمله نقش تالاموس، قشر قدامی سینگولات و هستههای زیرقشری مرتبط با پردازش درد را عمق بخشد.
طراحی چنین آزمایشهایی نیازمند پروتکلهای دقیق ایمنی و اندازهگیری است. پارامترهای tFUS — شدت، الگوی پالس، محل فوکوس — باید برای تعدیل فعالیت بدون ایجاد آسیب بافتی یا گرم شدن تنظیم شوند. نمودارهای ایمنی و استانداردهای بهرهبرداری بالینی بر اساس مطالعات حیوانی و انسانی قبلی توسعه یافتهاند، اما هر آزمایش انسانی نیاز به اعتبارسنجی پارامترها، بررسیهای دقیق پیش از ورود سوژه و پایش مداوم دارد. رکوردهای ترکیبی، مانند EEG یا تصویربرداری عملکردی fMRI، به محققان کمک میکنند تا اثرات در سطح شبکه را خوانش کنند و اطمینان حاصل کنند که تغییرات رفتاری مشاهدهشده ناشی از تعدیل عصبی واقعی است نه عوامل غیرخاص مانند برانگیختگی شنوایی یا لمسی.
«این ابزار به شما اجازه میدهد بخشهای مختلف مغز را در افراد سالم به شیوههایی تحریک کنید که پیشتر امکانپذیر نبود،» میگوید یکی از محققان در بحثهای مربوط به نقشهٔ راه. «این فقط برای پزشکی یا علم پایه مفید نیست؛ بلکه میتواند به پرداختن به مشکل سخت آگاهی کمک کند با شناسایی مدارهایی که احساس و اندیشه را تولید میکنند.»
پیشزمینهٔ علمی: انرژی صوتی چگونه روی نورونها اثر میگذارد
اولتراسوند متمرکز از طریق مکانیزمهای مکانیکی و احتمالاً گرمایی با بافت مغزی تعامل میکند. پالسهای کمشدت جابهجاییهای مکانیکی و تغییرات فشار در مقیاس میکرو ایجاد میکنند که میتواند خواص غشای نورونی و عملکرد سیناپسی را تحت تأثیر قرار دهد. این تغییرات در سطح غشا میتوانند قابلیت تحریکپذیری نورونها و نرخ آتشیاب (firing rate) را تعدیل کنند و در نتیجه دینامیکهای شبکهای را بدون ایجاد تغییرات برگشتناپذیر یا آسیب دائمی تغییر دهند. در شدتهای مناسب و با کنترل دقیق، این اثرات قابل بازگشت و ایمن توصیف شدهاند.
از آنجا که پرتوهای صوتی را میتوان هدایت و کانونیسازی کرد، پژوهشگران میتوانند نواحیای را هدف بگیرند که زیر قشر قرار دارند — برای مثال هستههای تالاموس، گانگلیونهای پایه (basal ganglia)، یا ساختارهای میدلاین که دستیابی غیرتهاجمی به آنها دشوار بوده است. دقت هدفگیری به آناتومی جمجمه و فرکانس اولتراسوند وابسته است؛ سامانههای مدرن از راهنمایی تصویربرداری و مدلهای محاسباتی انتقال از طریق جمجمه برای بهینهسازی فوکوس استفاده میکنند. این مدلها اختلافات فردی در ضخامت و ساختار استخوان جمجمه را در نظر میگیرند تا دقت و اثربخشی تحریک افزایش یابد و ریسکهای غیرقابلپیشبینی کاهش یابد.
مقایسه با دیگر ابزارهای تحریک مغزی
- TMS و tES: معمولاً محدود به نواحی سطحی قشر بوده و میدانهای وسیعتر و کمتمرکزتری تولید میکنند که دقت مکانیِ کمتری دارند.
- تحریک عمقی مغز (DBS): بسیار اختصاصی است اما تهاجمی بوده و نیاز به کاشت الکترود جراحی دارد؛ مناسب برای درمانهای بالینی اما محدودکننده برای مطالعات آزمایشی روی افراد سالم.
- tFUS: پلی میان راحتیِ غیرتهاجمی و دسترسی عمیق و کانونی — که احتمالاً امکان انجام آزمایشهای کنترلشده روی داوطلبان سالم را فراهم میکند و در عین حال پتانسیل کاربردهای بالینی را حفظ مینماید.
پیامدها: چه چیزهایی میتوانیم بیاموزیم — و چرا اهمیت دارد
در هستهٔ علم آگاهی، تمایز میان مدارهایی که صرفاً با هوشیاری همبستگی دارند و مدارهایی که برای خلق آن ضروریاند قرار دارد. اثبات ضرورتِ یک مدار برای یک محتوا یا تجربهٔ خاص برای علوم پایه و همچنین پزشکی اهمیت دارد. اگر شبکههای زیرقشری خاص نقش بزرگتری در درد یا کیفیتهای عاطفی (qualia) داشته باشند تا آنچه اکنون شناخته شده، این امر میتواند استراتژیهای درمانی برای درد مزمن، اختلال استرس پس از سانحه (PTSD) یا افسردگی را بازتعریف کند. تنظیم غیرتهاجمی این سایتها ممکن است روزی مکمل یا جایگزینی برای مداخلات تهاجمی باشد.
از منظر نظری، آزمایشهای علیتی میتوانند نظریههای رقیب را تیزتر یا رد کنند. اگر اختلال در هابهای پیشانی بهطور مکرر برخی محتواهای آگاهانه را از بین ببرد، نظریههایی مانند اطلاعات یکپارچهشده (Integrated Information) یا مدل «کارگاه جهانی» (Global Workspace) که بر ادغام وسیع قشری تکیه میکنند، حمایت تجربی بیشتری خواهند یافت. اگر برعکس، ساختارهای موضعی پسین یا عمیق ضروری نشان داده شوند، نظریهپردازان نیاز به بازنگری در فروض مربوط به محل پدیداری آگاهی خواهند داشت. در هر حالت، دادههای علیتی باعث میشوند چارچوبهای نظری از حالتهای حدسی و همبستگی محض به سمت توضیحات مکانیکی و قابل آزمون پیش بروند.
فراتر از نظریه، tFUS میتواند کشف در علوم اعصاب شناختی را تسریع بخشد. دسترسی به گرههای عمیق با دقت مکانی بالا به پژوهشگران امکان میدهد تا مدارهای حافظه، مراکز تنظیم هیجان و مسیرهای پاداش را به صورت کنترلشده و برگشتپذیر بررسی کنند. این رویکرد میتواند ترجمهٔ یافتههای آزمایشگاهی به درمانهای بالینی را تسریع کند، از جمله توسعه پروتکلهای تنظیم عصبی برای اختلالات شناختی و روانپزشکی.
دیدگاه کارشناسی
«وعدهٔ اولتراسوند متمرکز عبوری این است که اهرمی بازگشتپذیر به ما میدهد تا فرضیههایی را که دههها در حد گمانهزنی بودهاند آزمون کنیم،» میگوید دکتر النا وارگاس، نورولوژیست شناختی و پژوهشگر فناوریهای عصبی (نمونهٔ فرضی ولی واقعنما). «تصور کنید بتوانید به طور گذرا فعالیت یک هستهٔ تالامیک را کاهش دهید و مشاهده کنید آگاهی بصری یک سوژه چگونه در زمان واقعی تغییر میکند. این نوع دادههای علیتی برای حرکت از نقشهبرداری توصیفی به توضیحات مکانیکی ضروری است.»
دکتر وارگاس هشدار میدهد که نتایج لزوماً باینری نخواهند بود. «آگاهی در هم و بر هم است — احتمالاً از تکرارپذیریها و سیستمهای همپوشان ساخته شده است. tFUS گرادیانها و تعاملات را نشان خواهد داد نه کلیدهای روشن/خاموش. با این حال، هر برهمزدن کنترلشده دامنهٔ نظریههای ممکن را تنگتر میکند.»
تکنولوژیهای مرتبط و چشمانداز آینده
tFUS جایگزین روشهای تصویربرداری و تحریک موجود نخواهد شد؛ بلکه آنها را تکمیل میکند. پروتکلهای ترکیبی که اولتراسوند متمرکز را با EEG، MEG یا fMRI جفت میکنند میتوانند برهمکنشهای موضعی را با پاسخهای شبکهای پیوند دهند و دیدی چندمقیاسی از محاسبات عصبی ارائه دهند. پیشرفت در مدلسازی انتقال از طریق جمجمه و استفاده از تحریک حلقهبسته — جایی که خوانشهای عصبی در زمان واقعی هدایتکنندهٔ تحریک هستند — میتواند مداخلات را دقیقتر و سازگارتر سازد و امکان بهبود بازخوردهای بلادرنگ و کاهش اثرات غیرهدفمند را فراهم آورد.
چارچوبهای نظارتی و اخلاقی نیز نیازمند همگامی با این پیشرفتها هستند. دسترسی غیرتهاجمی به نواحی عمیق مغز پرسشهای مهمی را دربارهٔ رضایت آگاهانه، حدود قابل مجاز تنظیم، و پتانسیل تقویت شناختی مطرح میکند. رویههای پژوهشی مسئولانه، شفافیت در گزارشدهی، و پایش ایمنی دقیق برای گسترش مطالعات انسانی ضروری خواهند بود. از جملهٔ ملاحظات اخلاقی میتوان به محافظت از حریم ذهنی، خطرات بلندمدت بالقوه، و تضمین استفادهٔ منصفانه و مبتنی بر شواهد اشاره کرد.
پژوهشگرانی که نقشهٔ راه را منتشر کردهاند تأکید میکنند که این ابزار در مرحلهٔ اولیهای قرار دارد و پتانسیل بالا با ریسک قابل مدیریت دارد: پروتکلهای با شدت پایین، غربالگری دقیق شرکتکنندگان و آزمایشهای افزایشی میتوانند راهی به سوی یافتههای مستحکم بدون ادعاهای بالینی زودهنگام ترسیم کنند.
نهایتاً، ورود اولتراسوند متمرکز عبوری به پژوهش آگاهی علامتِ گذارشی از مشاهده به مداخله است. با افزایش یا کاهش فعالیت بخشهایی از مغز و مشاهدهٔ این که کدام تجارب آگاهانه تغییر میکنند، دانشمندان میتوانند شروع به تفکیک علل آگاهی از پیامدهای آن کنند — گامی ضروری اگر بخواهیم روزی بفهمیم چگونه تجربهٔ ذهنی از زیستشناسی پدید میآید.
منبع: scitechdaily
نظرات
اسکایسپین
آیا اثرات tFUS قابل تکرارن؟ یا هر بار نتایج خیلی متغیره؟ این باید ثابت بشه قبل اعتماد کامل.
میلاد_
واااااای، فکر کن اگه بتونیم خاطرهها یا دردو کم کنیم... افسردگی، درد مزمن؛ ولی خدا کنه سوءاستفاده نشه
تریپمایند
نگاه متعادل و علمی، خوبه که روی قشر بینایی شروع میکنن؛ درد یه کیس عالی برای آزمون علیته
بیوانیکس
تو آزمایشگاه دیدم اولتراسوند سطحی عوارض کم داشت، اما هدفگیری عمیق خیلی حساسه، تجربه ها متفاوتن، امیدوارم پروتکلها دقیق باشه
توربو
این واقعا بیخطره؟ چطور مطمئن بشیم گرما یا اثرات بلندمدت ایجاد نمیشه... کسی لینک مطالعات قبلی داره؟
رودایکس
وااای، این جدّی؟ اینکه بدون جراحی بتونی تالاموسو دستکاری کنی، یه جورایی هیجانزدهم و ترس هم دارم، ترکیب فوقالعادهایه!
ارسال نظر