مغز در طول شبانهروز آرام و بیصدا عمل نمیکند. این اندام پیچیده، مراکز فرماندهی خود را جابجا میکند، شبکههای عصبی تازهای را فعال میسازد، سپس هنگام خواب همهچیز را بازتنظیم میکند. اکنون پژوهشگران توانستهاند این فرایند پویا را با جزئیاتی بیسابقه ثبت کنند. نتیجه این تلاش، نقشههای جامع از فعالیت مغز است که نوسانهای روزانه آن را نشان میدهند و مسیر تازهای برای درک علمی خستگی مغزی گشودهاند.
دانشمندان دانشگاه میشیگان این الگوها را با ردیابی زمان فعالشدن سلولها و نواحی مختلف مغز در طول شبانهروز و با دقتی در سطح تکسلول شناسایی کردند. استفاده از تصویربرداری کلمغزی و ابزارهای محاسباتی پیشرفته کمک کرد تا فرآیند «روشن و خاموش شدن» شبکههای عصبی در زمان بیداری، فعالیت و خواب، ترسیم شود.
«ما تغییرات بسیار عمیقی را در طول روز مشاهده میکنیم که هنگام بیداری ایجاد میشوند و به نظر میرسد خواب آنها را اصلاح میکند.» — دنیل فورجر، نویسنده ارشد مطالعه
چرا اندازهگیری خستگی مغزی دشوار است
خستگی همواره پدیدهای مبهم و دشوار برای سنجش بوده است. بسیاری از افراد میزان خستگی خود را اشتباه برآورد میکنند و این موضوع میتواند برای مشاغل حساسی مثل خلبانی یا جراحی خطرناک باشد.
فورجر توضیح میدهد: «ما معمولاً قضاوتکنندگان خوبی برای خستگی خود نیستیم. این تصمیمگیری بر اساس احساس درونی ماست، نه دادههای واقعی». هدف تیم تحقیق، توسعه الگوهای قابلاندازهگیری است که نشان دهد چه زمانی فرد واقعاً خسته است و آیا میتواند کار خود را با ایمنی و دقت انجام دهد.
مطالعه منتشر شده در PLOS Biology مسیر کشف این «امضاهای خستگی» را هموار میکند و نشان میدهد چگونه فعالیت مغز بهطور سازمانیافته در طول زمان و با خواب تغییر میکند.
اسنپشات کامل از فعالیت روزانه مغز
این پروژه حاصل همکاری گسترده میان تیمهای پژوهشی در سه کشور بود. در ژاپن و سوئیس فناوریهای جدیدی حول میکروسکوپ نورصفحهای توسعه یافت؛ ابزاری که تصاویر سهبعدی بسیار دقیق از مغز کامل ارائه میکند.
پژوهشگران، موشها را مهندسی ژنتیک کردند تا نورونهای فعال در زمانهای خاص بدرخشند و از این طریق مشخص شود که چه زمانی و در کدام نقاط مغز سلولها فعال بودهاند. در همین زمان، تیم دانشگاه میشیگان ابزارهای محاسباتی برای همترازی، یکپارچهسازی و تحلیل این دادههای عظیم ایجاد کرد تا تصاویر سهبعدی به یک جدول زمانی دقیق از دینامیک فعالیت عصبی تبدیل شود.
شیفتهای روزانه کنترل مغز
نقشههای ایجادشده الگوی قابلتوجهی را آشکار کردند. هنگام بیداری حیوانات، فعالیت نخست در ساختارهای عمیق و زیرقشری افزایش مییابد. سپس در طول دوره فعالشدن موشها، مرکز فعالیت بهتدریج به سمت قشر مغز (کورتکس) منتقل میشود.
کنستانتینوس کومپوتیس، یکی از نویسندگان پژوهش، مغز را به یک شهر تشبیه میکند:
«مغز فقط میزان فعالیتش را در طول روز تغییر نمیدهد. بلکه شبکهها و نواحی فرماندهی را جابجا میکند، درست مانند یک شهر که مسیرهای ترافیکیاش در ساعات مختلف به گروههای متفاوتی خدمات میدهد.»
این «کوریوگرافی زمانی» — یعنی اینکه کدام ناحیه مرکز کنترل باشد و چه زمانی این نقش را واگذار کند — ممکن است کلید درک احساس خستگی و تأثیر خواب بر رفع آن باشد.
سرنخهایی برای تشخیص خستگی مغزی
قدرت این مطالعه در دو نکته نهفته است: نخست، ارائه نمایی جامع و تکسلولی از فعالیت مغز و دوم، بهکارگیری روشی استاندارد که قابلیت تکرار در شرایط گوناگون را دارد. این ترکیب، امکان توسعه نشانگرهای زیستی برای خستگی را فراهم میکند؛ نشانههایی مبتنی بر سازمان شبکههای عصبی نه گزارشهای ذهنی.
فورجر همچنین اشاره میکند که این یافتهها ممکن است در حوزههای گستردهتری مانند سلامت روان نیز کاربرد داشته باشند. بههمخوردن الگوهای روزانه فعالیت مغز ممکن است با اختلالات خلقی، شناختی یا توجه مرتبط باشد.
مهندسی یک اطلس کلمغزی
در بخش تجربی، پژوهشگران از برچسبهای فلورسنت وابسته به فعالیت استفاده کردند تا نورونهایی که در بازههای زمانی مشخص فعال بودند، خود را «نشانهگذاری» کنند. سپس با استفاده از میکروسکوپ نورصفحهای کل مغز اسکن شد و میلیونها سلول فعال در جای خود شناسایی شدند.
در بخش تحلیلی، ابزارهای همترازی و استنتاج طراحی شد تا این تصاویر با اطلسهای استاندارد مغزی ترکیب شوند و مسیرهای شبکهای فعالیت در طول شبانهروز استنتاج شود.
گوانهوا سان، یکی از پژوهشگران، تأکید میکند: «ریاضیات این مسئله ساده است. اما بخش دشوار، احترام به زیستشناسی است؛ یعنی ترکیب دادههای جدید و بایگانیشده بهگونهای که با ساختار واقعی مغز سازگار باشد.»
کاربرد این روش در انسان
هرچند نمیتوان مغز انسان را مانند موش پاکسازی و تصویربرداری کلمغزی کرد، چارچوب محاسباتی این مطالعه قابلانتقال به دادههای انسانی است.
سان توضیح میدهد که دادههای مغزی انسان — مانند EEG، PET یا MRI — دقت کمتری دارند اما میتوان آنها را با همین منطق تحلیل کرد تا الگوهای روزانه مغز شناسایی شوند و تغییرات خطرناک مرتبط با خستگی مشخص گردد.
اهمیت همکاری جهانی
این پروژه بهواسطه حمایت «برنامه علوم مرزی انسان» شکل گرفت و همکاری میان دانشگاه میشیگان، دانشگاه زوریخ و مؤسسه ریکن را تقویت کرد.
کومپوتیس میگوید: «رفتار ما نتیجه فعالیت یک ژن یا یک نورون نیست. همهچیز به تعامل بخشهای مختلف مغز بستگی دارد». ترکیب ژنتیک، تصویربرداری و تحلیل دادهها دیدگاهی واقعاً جهانی از مغز فراهم کرد.
گامهای بعدی در نقشهبرداری خستگی مغز
کومپوتیس و تیمش اکنون در حال همکاری با صنعت هستند تا بررسی کنند داروها و درمانها چگونه الگوهای روزانه فعالیت مغز را تغییر میدهند. این دادهها میتواند به بهبود زمانبندی دوزها یا شناسایی اثرات ناخواسته بر چرخه خواب–بیداری کمک کند.
هدف بعدی، تعریف امضاهای قابلاعتماد و قابلتکرار از خستگی در موشها و سپس اثبات مشابهت آنها در انسان است. در صورت موفقیت، نتایج میتواند به برنامهریزی دقیق زمان کار، یا مداخلات شخصی برای حفظ سلامت ریتمهای مغزی منجر شود.
داستان انسانی پشت این پژوهش
نویسندگان مقاله این پژوهش را به استیون براون، دانشمند برجسته حوزه کرونوبیولوژی که در جریان پروژه در سانحه هوایی جان باخت، تقدیم کردهاند. کومپوتیس میگوید: «این تجربه به ما یاد داد که حضور یک نفر چقدر در پیشبرد علم اهمیت دارد؛ چه در ایدهپردازی و چه در پیوند دادن مفاهیم.»
این مطالعه نشان میدهد که چگونه مغز در طول روز مرکز کنترل خود را تغییر میدهد و چگونه خواب این الگوها را بازسازی میکند. خروجی کار، پایهای برای زبانی عینی در اندازهگیری خستگی ایجاد میکند؛ زبانی برگرفته از خود رقص هماهنگ مغز.
