آشنایی با انعطاف‌پذیری عصبی یا نوروپلاستیسیتی

بافت عصبی در مغز انسان دارای ظرفیت فوق العاده‌ای به نام انعطاف‌پذیری عصبی یا نوروپلاستیسیتی می‌باشد. در واقع انعطاف‌پذیری عصبی مغز، به عنوان توانایی سیستم عصبی برای تغییر عملکرد خود در پاسخ به محرک‌های درونی یا بیرونی به‌واسطه‌ی سازماندهی مجدد ساختارها و عملکردها‌ی خود می‌باشد. برای درک بهتر این مفهوم، در ادامه‌ی این مقاله با ما همراه باشید.

انعطاف‌پذیری عصبی چیست؟

تغییرات عملکردی طولانی‌ مدت در مغز، زمانی رخ می‌دهد که فعالیت‌های جدیدی را یاد می‌گیریم یا اطلاعات جدید را به خاطر می‌سپاریم. این تغییرات عملکردی در سطح اتصالات عصبی، همان چیزی است که ما آن را نوروپلاستیسیتی یا انعطاف‌پذیری عصبی می‌نامیم.

به عبارت دیگر، انعطاف‌پذیری عصبی، عبارت است از ظرفیت نورون‌ها و شبکه‌های عصبی در مغز، برای تغییر ارتباطات و رفتار خود در پاسخ به تحریک‌های حسی، رشد، آسیب یا اختلال عملکرد در مغز.

 برای بهتر فهمیدن مفهوم انعطاف‌پذیری عصبی، فیلم دوربین را تصور کنید. فکر کنید که این فیلم نشان‌دهنده عملکرد مغز شماست. حال تصور کنید که از دوربین، برای گرفتن عکس از یک درخت استفاده می‌کنید. هنگامی که یک عکس گرفته می‌شود، فیلم در معرض اطلاعات جدیدی قرار می‌گیرد: ” اطلاعات مربوط به تصویر یک درخت”.

برای این‌که تصویر ثبت شود، فیلم باید به نور واکنش نشان دهد و برای ثبت تصویر درخت “تغییر” کند. بنابراین، برای اینکه دانش جدیدی در مغز ثبت شود، باید این تغییرات، که معرف یک دانش جدید است، در مغز رخ دهد.

یا برای فهم بهتر به یک مثال دیگر توجه کنید، تصور کنید که یک سکه را در خاک رس قرار داده‌اید. برای اینکه اثر سکه در خاک رس ظاهر شود، باید تغییراتی در خاک رس ایجاد شود: “با فشار دادن سکه به خاک رس”، شکل خاک تغییر می‌کند و رد سکه بر روی آن می‌ماند.

در واقع مغز دقیقا زمانی که تلاش می‌کند که فعالیت از دست رفته خود را بازیابی کند، انعطاف‌پذیری عصبی را به کار می‌برد. انعطاف‌پذیری عصبی اغلب در هنگام تقویت اطلاعات حسی از طریق تجربه، یادگیری، حافظه و یا در هنگام آسیب فیزیکی به مغز به عنوان مثال، سکته ی مغزی، اتفاق می‌افتد.

نقش انعطاف‌پذیری عصبی در دوران نوزادی

گوپنیک و همکارانش در سال 1999، نورون‌ها را به عنوان سیم‌های تلفن در حال گسترشی که با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند، توصیف کردند. بلافاصله پس از تولد، مغز نوزاد با اطلاعات دریافتی از اندام‌های‌حسی نوزاد پُر می‌شود. این اطلاعات حسی باید به نوعی به مغز داده شوند تا مغز بتواند آن‌ها را پردازش کند. برای انجام این‌کار، سلول‌های عصبی باید با یکدیگر ارتباط برقرار کنند و پیام‌ها را مجدد به مغز منتقل کنند. ژن‌های مرتبط به این فرآیند در نوزاد، مسیرهای انتقال پیام منتهی به ناحیه خاصی در مغز را، به یک سلول عصبی خاص می‌آموزند. به عنوان مثال، سلول‌های عصبی در شبکیه چشم، پیام‌ها را به ناحیه بینایی اولیه در لوب پس‌سری مغز ارسال می‌کنند، نه به ناحیه تولید زبان در لوب گیجگاهی. در این مرحله خطوط اصلی ارسال پیام ایجاد شده‌اند، اما اتصالات خاص از یک نورون به نورون دیگر نیز نیاز به سیگنال‌های اضافی دارد.

جالب است بدانید که توسعه‌ی انعطاف‌پذیری عصبی بیشتر در چند سال اول زندگی رخ می‌دهد، زیرا در این سنین نورون‌ها به سرعت رشد می‌کنند و در نهایت اتصالات زیادی را شکل می‌دهند. در واقع هنگام تولد، هر نورون در قشر مغز (لایه بیرونی بسیار پیچیده مغز) حدود 2500 سیناپس دارد. زمانی که یک نوزاد دو یا سه ساله می‌شود، تقریباً تعداد سیناپس‌ها 15000تا در بین نورون‌ها است. این مقدار تقریباً دو برابر تعداد سیناپس‌ها در مغز ​​بزرگسالان است. به عبارتی رشد و نمو نوروپلاستیسیتی زمانی رخ می‌دهد که در نورون‌های مغز نوزاد، شاخه‌هایی به سرعت جوانه زده و سیناپس‌ها را تشکیل می‌دهند. سپس، زمانی که مغز شروع به پردازش اطلاعات حسی می‌کند، برخی از این سیناپس‌ها تقویت و برخی دیگر ضعیف می‌شوند. اتصالات ناکارآمد یا ضعیف تقریباً به همان روشی که باغبان درخت یا بوته را هرس می‌کند، هرس می‌شوند. در حقیقت این انعطاف‌پذیری عصبی است که فرآیند توسعه و هرس اتصالات عصبی را ممکن می‌سازد و به مغز اجازه می‌دهد خود را با محیط وفق دهد. در نهایت، مسیرهای کارآمدی برای ارتباطات عصبی در مغز ایجاد می‌شوند. بنابراین، در طول زندگی یک انسان یا سایر پستانداران، این ارتباطات عصبی از طریق تعامل ارگانیسم با محیط اطرافش تنظیم می‌شود.

همانطور که اشاره کردیم، در اوایل کودکی که به عنوان دوره حساس رشد شناخته می‌شود، سیستم عصبی باید ورودی‌های حسی خاصی را دریافت کند تا به درستی رشد کند.  هنگامی که این دوره حساس به پایان می‌رسد، کاهش شدیدی در تعداد اتصالات بوجود می‌آید و اتصالاتی که باقی می‌مانند، آن‌هایی هستند که با محرک‌های حسی مناسب تقویت شده‌اند. پدیده‌ی “هرس شدن” سیناپس‌های اضافی اغلب در دوران نوجوانی رخ می‌دهد.

تغییر سریع یا سازماندهی مجدد شبکه‌های سلولی عصبی مغز می‌تواند به اشکال مختلف و تحت شرایط مختلف اتفاق بیفتد، که در ادامه به بررسی انواع آن می‌پردازیم.

انواع نوروپلاستیسیتی قشری

جردن گرافمن، عصب‌شناس آمریکایی، 4 نوع دیگر از نوروپلاستیسیتی یا انعطاف‌پذیری عصبی را شناسایی کرد که با عناوین نوروپلاستیسیتی سازگاری ناحیه همولوگ (Homologous area adaptation)، نوروپلاستیسیتی جبرانی (Compensatory masquerade)، cross-modal reassignment و map expansion شناخته می‌شوند. در بخش زیر به بررسی هر یک از این موارد می‌پردازیم.

1- نوروپلاستیسیتی سازگاری ناحیه همولوگ (Homologous area adaptation)

نوروپلاستیسیتی سازگاری ناحیه‌ی همولوگ در طول دوران رشد و نمو اولیه انسان اتفاق می‌افتد.

مطابق گفته‌ی فراگمن، عملکرد این نوع نوروپلاستیسیتی یا انعطاف‌پذیری عصبی به این صورت است که برای مثال اگر یک بخش خاص مغز در اوایل زندگی بر اثر ضربه آسیب ببیند یا اطلاعات حسی خود را دریافت نکند، مغز تصمیم می‌گیرد که اطلاعات این ناحیه را به یک ناحیه‌ی مشابه یا هومولوگ در نیمکره‌ی دیگر مغز، منتقل کند.

نمونه‌ای از این نوع انعطاف‌پذیری عصبی زمانی است که لوب پس‌سری در اوایل زندگی آسیب ببیند و فرد نابینا شود. طبیعی است که در این زمان اطلاعات حسی بینایی، دیگر پردازش نمی‌شوند و این ناحیه به‌جای اطلاعات بینایی، اطلاعات حسی لامسه را دریافت و پردازش می‌کنند. به همین دلیل است که افراد نابینا توانایی یادگیری خط بریل را دارند.

نقطه ضعف این شکل از انعطاف‌پذیری عصبی این است که، ممکن است ناحیه همولوگ، نتواند برای عملکردهای جدید جا باز کند و ظرفیت انجام کامل و صحیح 2 عملکرد را به طور هم‌زمان نداشته باشد و فرد دچار اختلالاتی در انجام فرایند‌های مرتبط با آن ناحیه شود.

2- نوروپلاستیسیتی نقاب جبرانی (Compensatory masquerade)

نوع دوم نوروپلاستیسیتی، نقاب جبرانی نام دارد، که می‌توان به سادگی به این صورت توصیف کرد که مغز، زمانی که به دلیل نقص، قادر به انجام عملکرد اصلی خود نباشد، یک استراتژی جایگزین برای انجام یک کار پیدا می‌کند.

 برای مثال زمانی که یک فرد سالم سعی می کند از یک مکان به مکان دیگر حرکت کند، کم و بیش، حس شهودی جهت و فاصله را برای حرکت به کار می‌برد. اما، اگر این فرد دچار نوعی ضربه مغزی و اختلال در حس تشخیص فضایی و مکان خود شود، مغز سعی می‌کند فرد راه خود را از طریق به یاد آوردن مکان‌هایی که در حافظه‌ی خود داشته است، پیدا کند و تنها تغییری که در مغز رخ می‌دهد، سازماندهی مجدد شبکه‌های عصبی است که از قبل موجود بوده‌اند.

3- نوروپلاستیسیتی جابجایی چند وجهی  (Cross-modal reassignment)

شکل سوم انعطاف‌پذیری عصبی، Cross-modal reassignment می‌باشد، که مستلزم ورود اطلاعات جدید به ناحیه‌ای از مغز است که از اطلاعات ورودی اصلی خود محروم شده ‌است. برای مثال، این توانایی در بزرگسالی که از بدو تولد نابینا بوده است و پیام‌های حسی لمسی، به ناحیه‌ای خاص مربوط به بینایی در لوب پس سری، که اسمش را V میگذاریم، هدایت می‌شدند، دیده می‌شود. اما، تحقیقات نشان داده‌اند که افراد بینا، وقتی با آزمایش‌های لمسی مشابهی بررسی می‌شوند، هیچ  اطلاعاتی راجع به فعالیت لمسی را در ناحیه V نشان نمی‌دهند.

دلیل این امر این است که نورون‌ها بدون در نظر گرفتن حالت حسی با یک “زبان انتزاعی” متشکل از ایمپالس های الکتروشیمیایی، با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. علاوه‌بر‌این، تمام بخش‌های پردازش اطلاعات حسی مغز، مانند بینایی، شنوایی، بویایی، چشایی ساختار پردازش شش لایه‌ای دارند.

به همین دلیل، قشر بینایی افراد نابینا هنوز هم می‌تواند کارکردهای ایجاد بازنمایی از جهان فیزیکی را انجام دهد، اما این بازنمایی‌ها را برپایه‌ی ورود پیام‌های حس دیگری – یعنی لامسه – بنا می‌کند.

4- نوروپلاستیسیتی گسترش نقشه (Map expansion)

گسترش نقشه، نوع چهارم نوروپلاستیسیتی است، که مرتبط با انعطاف‌پذیری عصبی نواحی محلی مغز است که این نواحی، به انجام یک نوع عملکرد خاص یا ذخیره‌ی شکل خاصی از اطلاعات، اختصاص داده شده‌اند. چیدمان این مناطق محلی، در قشر مغز به عنوان “نقشه” نامیده می‌شود.

همانطور که عضله‌های پا، در یک دونده به مرور بزرگتر و قوی‌تر می‌شوند، هنگامی که یک عملکرد به اندازه کافی از طریق تکرار یک رفتار یا تمرین‌های مکرر در مغز پردازش می‌شود، آن ناحیه در مغز، که به این عملکرد اختصاص داده شده است، رشد می‌کند. این پدیده معمولاً در حین یادگیری و تمرین مهارتی مانند نواختن آلات موسیقی دیده می‌شود.

به طورخاص، زمانیکه فرد به طور ضمنی با مهارت آشنایی پیدا می‌کند، آن منطقه رشد می‌کند و پس از کامل شدن یادگیری، به اندازه قبل خود برمی‌گردد.

لازم است اشاره کنیم که، یادگیری ضمنی، کسب غیرفعال دانش از طریق قرار‌گرفتن در معرض اطلاعات جدید و با تمرین زیاد است، در حالی که یادگیری آشکار، کسب فعال دانش است که از طریق جستجوی آگاهانه اطلاعات به دست می‌آید. حال اگر فرد مهارت خود را پس از تمرینات مکرر توسعه دهد، آن منطقه بزرگ شدن اولیه را حفظ می‌کند.

نقش انعطاف‌پذیری عصبی در یادگیری و حافظه

زمانی اعتقاد بر این بود که با افزایش سن، شبکه‌های مغز ثابت می‌شوند. با این حال، در دو دهه گذشته، تعداد زیادی از تحقیقات نشان داده‌اند که مغز هرگز از تغییر و تنظیم باز نمی‌ایستد. یادگیری، طبق تعریف، توانایی کسب دانش یا مهارت‌های جدید از طریق آموزش یا تجربه است. همانطور که می‌دانید، حافظه فرآیندی است که توسط آن دانش در طول زمان حفظ می‌شود. راهکار مغز برای تغییر با یادگیری، انعطاف پذیری عصبی است.

دورباخ، در سال 2000 در پاسخ به سوال “چگونه مغز با یادگیری تغییر می‌کند؟” اظهار کرد که به نظر می‌رسد حداقل دو نوع تغییر در مغز با یادگیری رخ می‌دهد:

1. تغییر در ساختار درونی نورون‌ها که قابل توجه‌ترین آن در ناحیه سیناپس‌ها است.
2. افزایش تعداد سیناپس‌ها بین نورون‌ها

در ابتدا، داده‌های تازه آموخته شده در حافظه کوتاه‌مدت ذخیره می‌شوند، که توانایی موقتی برای یادآوری مقدار کمی از اطلاعات تازه را دارند. برخی از محققان، از این مفهوم حمایت می‌کنند که حافظه کوتاه‌مدت به رویدادهای الکتریکی و شیمیایی مغز، در مقابل تغییرات ساختاری مانند تشکیل سیناپس‌های جدید بستگی دارد.

 یکی از تئوری‌های حافظه کوتاه‌مدت بیان می‌کند که خاطرات ممکن است توسط مدارهای عصبی “پیچاننده” ایجاد شوند. یعنی یک پیام عصبی اولین نورون را تحریک می‌کند سپس دومین نورون تحریک می‌شود و به همین ترتیب در‌نهایت شاخه‌هایی از نورون دوم با اولین نورون، مجددا سیناپس می‌شوند. پس از مدتی، اطلاعات ممکن است به یک نوع حافظه دائمی‌تر، یعنی حافظه‌ی بلندمدت، منتقل شود، که حاصل تغییرات تشریحی یا بیوشیمیایی است که در مغز رخ می‌دهد.

نقش انعطاف‌پذیری عصبی در ترمیم مغز

حال که با مفهوم انعطاف‌پذیری عصبی آشنا شدیم، می‌توانیم برای پرسشی که در ابتدای مقاله مطرح شد، پاسخ مناسبی پیدا کنیم.

آیا در صورت آسیب به مغز، بهبودی حاصل نمی‌شود؟

 جالب است بدانید که در طول ترمیم مغز، علیرغم آسیب دیدگی مغز، انعطاف‌پذیری عصبی ، سعی در به حداکثر رساندن عملکرد آن ناحیه‌ی آسیب دیده دارد.

در مطالعات مربوط به موش‌ها که در آن یک ناحیه از مغز آسیب دیده بود، سلول‌های مغزی اطراف ناحیه آسیب‌دیده دچار تغییراتی در عملکرد و شکل خود شدند. در واقع سلول‌های عصبی باقی‌مانده، عملکرد سلول‌های آسیب‌دیده را برعهده گرفته بودند.

 اگرچه این پدیده به طور گسترده در انسان مورد مطالعه قرار نگرفته است، اما داده‌ها نشان می‌دهد که تغییرات مشابه موش‌ها، (هر چند کمتر موثر) در مغز انسان به دنبال آسیب رخ می‌دهد.

برای مثال، قربانیان سکته مغزی توانسته‌اند عملکردهای از دست رفته را از طریق تمرین ذهنی و تصویرسازی ذهنی، دوباره به دست آورند. این نوع درمان از نوروپلاستیسیته برای فعال کردن مجدد نواحی آسیب دیده مغز یا غیرفعال کردن مناطق بیش فعال مغز استفاده می شود. امروزه محققان در حال بررسی اثربخشی این اشکال درمانی برای افرادی هستند که نه تنها از سکته مغزی و اختلالات عاطفی، بلکه از درد مزمن، روان‌پریشی و فوبیای اجتماعی نیز رنج می‌برند.

حقایقی درباره انعطاف‌پذیری عصبی

نکته 1: نوروپلاستیسیته شامل چندین فرآیند مختلف است که در طول زندگی اتفاق می‌افتد

انعطاف‌پذیری عصبی شامل یک نوع تغییر مورفولوژیک نیست، بلکه شامل چندین فرآیند مختلف است که در طول زندگی فرد رخ می‌دهد. بسیاری از انواع سلول‌های مغز، در فرآیندهای نوروپلاستیسیته درگیر هستند، از جمله سلول‌های عصبی، گلیا و سلول‌های عروقی.

نکته 2: نوروپلاستیسیتی یا انعطاف‌پذیری عصبی یک عامل تعیین کننده‌ی وابسته به سن دارد.

اگرچه انعطاف‌پذیری عصبی در طول زندگی هر فرد رخ می‌دهد، اما هر نوع از انعطاف‌پذیری عصبی در دوره‌های خاصی از زندگی انسان، بیشتر اتفاق می‌افتد.

نکته 3: نوروپلاستیسیتی یا انعطاف‌پذیری عصبی در مغز تحت دو شرایط اولیه رخ می‌دهد:

1. در طول رشد طبیعی مغز، زمانی که مغز نابالغ برای اولین بار شروع به پردازش اطلاعات حسی در بزرگسالی می‌کند (قابلیت رشد و انعطاف پذیری در یادگیری و حافظه)
2. به عنوان یک مکانیسم تطبیقی ​​برای جبران عملکرد از دست رفته مغز و یا به حداکثر رساندن عملکردهای باقی‌مانده در صورت آسیب مغزی.

نکته 4: محیط نقش کلیدی بر انعطاف‌پذیری عصبی دارد.

مغز علاوه بر عوامل ژنتیکی، بر اساس ویژگی های محیطی و فعالیت‌های شخصی فرد، شکل می گیرد.

بررسی انعطاف‌پذیری عصبی با استفاده از علوم کامپیوتر

برخی از اولین تحقیقات کاربردی در مورد انعطاف‌پذیری عصبی در دهه 1960 انجام شد، زمانی که دانشمندان تلاش کردند، ماشین‌هایی بسازند که با مغز ارتباط برقرار می‌کنند، تا به افراد نابینا کمک کنند.

در سال 1969،  پاول باخ-ریتا، نوروبیولوژیست آمریکایی و چند تن از همکارانش، مقاله کوتاهی با عنوان «جایگزینی بینایی با ایجاد نمایش تصویری لمسی» منتشر کردند که جزئیات عملکرد آن به شرح زیر است:

این دستگاه از یک صفحه فلزی با 400 محرک ارتعاشی تشکیل شده بود. صفحه به پشت صندلی وصل شده بود تا حسگرها بتوانند پوست پشت بیمار را لمس کنند. یک دوربین جلوی بیمار قرار داده می‌شد که به ویبراتورها متصل شده‌بود. دوربین تصاویر اتاق را ضبط می‌کرد و آنها را به الگوهایی از ارتعاش تبدیل می‌کرد که نشان دهنده فضای فیزیکی اتاق و اشیاء درون آن بود. پس از آشنایی بیماران با این دستگاه، مغز آنها قادر به ساخت نمایی ذهنی از فضاها و اشیاء فیزیکی بود.

بنابراین به جای اینکه نور مرئی، شبکیه چشم آن‌ها را تحریک کند و تصویری ذهنی از جهان ایجاد کند، محرک‌های ارتعاشی، پوست پشت آن‌ها را تحریک می‌کردند تا تصویری در قشر بینایی آنها ایجاد کنند. دستگاه مشابهی امروزه وجود دارد، با این تفاوت که دوربین داخل یک عینک قرار می‌گیرد و سطح حسی روی زبان گذاشته می‌شود.

 درواقع مغز، بدون توجه به اینکه چه نوع محرک‌های محیطی با اندام‌های حسی بدن در تعامل هستند، با همان «زبان عصبی سیگنال‌های الکتروشیمیایی» با آن‌ها صحبت می‌کند.

امروزه دانشمندان علوم اعصاب، در حال توسعه ماشین‌هایی هستند که اندام‌های حسی خارجی را دور می‌زنند و در واقع مستقیماً با مغز ارتباط دارند. به عنوان مثال، محققان دستگاهی را ساخته‌اند که فعالیت عصبی را در مغز یک میمون ماده کنترل می‌کرد.

میمون از دسته‌ بازی برای حرکت مکان‌نما در اطراف صفحه استفاده کرد و کامپیوتر حرکت مکان‌نما را با فعالیت مغز میمون کنترل و مقایسه کرد. هنگامی که کامپیوتر سیگنال‌های مغز میمون را برای سرعت و جهت با حرکت واقعی مکان‌نما مرتبط کرد، کامپیوتر قادر بود این سیگنال‌های حرکتی را از مغز میمون به حرکت بازوی ربات در اتاقی دیگر ترجمه کند. بنابراین، میمون قادر به حرکت دادن یک بازوی ربات با افکار خود شد. با این‌حال، یافته اصلی این آزمایش این بود که وقتی میمون یاد گرفت مکا‌ن‌نما را با افکار خود حرکت دهد، سیگنال های موجود در قشر حرکتی میمون (ناحیه قشر مغز که در کنترل حرکات ماهیچه ای نقش دارد) بیشتر در حال پردازش حرکات مکان‌نما بود تا حرکات اعضای واقعی میمون.

و  این بدان معنی است که قشر حرکتی جزئیات حرکت اندام‌ها را مستقیماً کنترل نمی‌کند، بلکه پارامترهای انتزاعی حرکت را بدون توجه به دستگاه متصلی که در واقع در حال حرکت است، کنترل می‌کند.

جمع بندی

در این مقاله انواع انعطاف‌پذیری عصبی یا نوروپلاستیسیتی را باهم بررسی کردیم و متوجه شدیم که انعطاف پذیری‌عصبی، به طور کلی یک ویژگی پیچیده، اساسی و چند وجهی مغز است. همچنین متوجه نقش بسیار مهم آن، در یادگیری و ترمیم مغز شدیم. امیدواریم که با خواندن این مقاله از پیچیدگی‌های مغز انسان، که شاهراه فکر و ذهن است، لذت برده باشید.