دانشمندان با کمک هوش مصنوعی موفق شدهاند برای نخستین بار سرعت حرکت مایعی را که هنگام خواب مواد زائد را از مغز خارج میکند، اندازهگیری کنند. این دستاورد میتواند درک ما از بیماریهایی مانند آلزایمر، روند پیری مغز و آسیبهای مغزی را متحول کند.
سیستم گلیمفاتیک؛ شبکه پاکسازی مغز در خواب
مهندسان سالهاست که حرکت مایعات را در لولهها، رودخانهها و رگهای خونی اندازهگیری میکنند. اما ردیابی مایعی که وظیفه انتقال مواد زائد از مغز را بر عهده دارد، بسیار دشوارتر بوده است.
مایعی که در طول خواب مغز را پاکسازی میکند، آنقدر آهسته حرکت میکند که هیچ دستگاه اسکن استانداردی قادر به ردیابی آن نیست. تا پیش از این، هیچکس نتوانسته بود سرعت این مایع را در عمق مغز یک موجود زنده اندازهگیری کند.
دانشمندان این شبکه پاکسازی شبانه را «سیستم گلیمفاتیک» مینامند. در طول خواب عمیق، مایعی شبیه آب در سراسر مغز جریان پیدا میکند و بقایای حاصل از فعالیت روزانه سلولهای مغزی را با خود حمل میکند.
عصبشناس «مایکن ندرگارد» نخستین بار در سال ۲۰۱۲ این سیستم را توصیف کرد. خیلی زود اهمیت آن آشکار شد.
از جمله موادی که توسط این سیستم از مغز حذف میشوند، پروتئینهای چسبنده آمیلوئید بتا هستند؛ همان قطعاتی که در مغز افراد مبتلا به آلزایمر به شکل پلاک تجمع پیدا میکنند.
تحقیقات رو به رشد نشان میدهد که کاهش توانایی مغز در پاکسازی این پروتئینها با بیماری آلزایمر ارتباط دارد. با این حال، یک پرسش اساسی همچنان بیپاسخ مانده بود: این مایع واقعاً با چه سرعتی حرکت میکند؟
چرا اندازهگیری جریان مایع مغزی دشوار است؟
مشاهده این جریان بسیار پیچیدهتر از چیزی است که به نظر میرسد.
داگلاس کلی، استاد مهندسی مکانیک دانشگاه روچستر، سالها روی مایعات مغزی مطالعه کرده است. به گفته او، هر ابزار موجود محدودیتهای خاص خود را دارد.
میکروسکوپ میتواند بخشی بسیار کوچک از بافت را با جزئیات بالا نمایش دهد، اما تنها همان بخش محدود را نشان میدهد. در مقابل، تصویربرداری MRI کل مغز را به صورت سهبعدی ثبت میکند، اما برای تشخیص چنین حرکات آهستهای تقریباً ناتوان است.
کلی توضیح داد که MRI نیز محدودیتهای جدی دارد و مهمترین آن این است که نمیتواند سرعت جریان این مایع را، دستکم در چنین مقیاس آهستهای، اندازهگیری کند.
از سوی دیگر، مشاهده مستقیم مغز زنده نیز خطر آسیب رساندن به بافت مغز را به همراه دارد.
هوش مصنوعی چگونه حرکت مایع در مغز را آشکار کرد؟
پروفسور کلی در همکاری با یک تیم بینالمللی، حل این مشکل را به هوش مصنوعی سپرد. البته نه از نوع چتباتهای رایج.
پژوهشگران شبکههای عصبی ویژهای طراحی کردند که قوانین فیزیک حرکت مایعات در آنها تعبیه شده بود. به این ترتیب، سیستم نمیتوانست رفتارهای فیزیکی غیرواقعی تولید کند.
آنها دادههای MRI مربوط به انتشار تدریجی یک ماده رنگی در مغز را در اختیار هوش مصنوعی قرار دادند. این سامانه با تحلیل الگوهای حرکت رنگ، جریان مایعی را که آن را جابهجا میکرد، استنباط کرد.
نتیجه، نقشهای سهبعدی از نحوه حرکت مایع در سراسر مغز بود.
این نقشه اطلاعاتی از جمله سرعت جریان، فشار محرک حرکت مایع و میزان عبور آن از انواع مختلف بافتهای مغزی را آشکار کرد؛ دادههایی که MRI به تنهایی قادر به ارائه آنها نیست.
کشف دو سرعت کاملاً متفاوت در پاکسازی مغز
نتایج به دست آمده یک شگفتی بزرگ را آشکار کرد. به جای یک جریان یکنواخت، مایع در بخشهای مختلف مغز با دو سرعت کاملاً متفاوت حرکت میکرد.
در نزدیکی سطح مغز، در فضای میان جمجمه و مغز، سرعت حرکت به چند میکرون در ثانیه میرسید. این مقدار در مقیاس روزمره بسیار کند است، اما در محیط مغز سرعتی قابل توجه محسوب میشود.
در مقابل، در عمق بافت متراکم مغز، حرکت مایع تقریباً نامحسوس بود و حدود ۵۰ برابر آهستهتر جریان داشت. این وضعیت بیشتر شبیه نشت آرام مایع بود تا یک جریان واقعی.
در واقع، دو سامانه با نرخهای کاملاً متفاوت در یک مغز فعالیت میکردند و وظیفهای مشابه را انجام میدادند.
اگرچه مطالعات پیشین نشان داده بودند که خواب نقش اصلی را در پاکسازی مغز ایفا میکند، اما سرعت واقعی حرکت مایع در اعماق بافت مغز هرگز اندازهگیری نشده بود.
نقشهبرداری از اعماق مغز با کمک هوش مصنوعی
سرعت تنها دادهای نبود که این روش جدید آشکار کرد.
سامانه هوش مصنوعی همچنین فشار محرک مایع و میزان نفوذپذیری یا تراکم بافت در هر نقطه را اندازهگیری کرد؛ اطلاعاتی که هیچ فناوری تصویربرداری موجود قادر به ارائه آنها نیست.
این دید عمیق از ساختار مغز همان بخشی بود که سالها از دسترس دانشمندان خارج مانده بود. مایع موجود در مرکز مغز از میان فضاهایی فوقالعاده کوچک عبور میکند که در حیوان زنده حتی برای پیشرفتهترین میکروسکوپها نیز غیرقابل دسترس هستند.
اکنون پژوهشگران میتوانند برای نخستین بار سرعت واقعی جریان را در تمامی بخشهای شبکه گلیمفاتیک، از نواحی سطحی تا عمق مغز، اندازهگیری کنند.
آیا این فناوری برای انسان نیز قابل استفاده است؟
تاکنون این روش روی پنج موش آزمایشگاهی که در طول اسکن آرام و تحت آرامبخشی قرار داشتند، آزمایش شده است.
این اندازهگیریهای اولیه به عنوان یک خط پایه عمل میکنند تا مطالعات آینده بتوانند نتایج خود را با آن مقایسه کنند.
هدف نهایی پژوهشگران، مقایسه مغزهای جوان و سالمند، همچنین مغزهای سالم و بیمار است تا مشخص شود آیا تغییرات جریان مایع با اختلالات عصبی ارتباط دارد یا خیر.
تکنیک استفاده از ماده رنگی هماکنون در محیطهای بالینی مورد استفاده قرار میگیرد و نیازی به جراحی ندارد. به همین دلیل، انجام مطالعات انسانی در آینده نزدیک امکانپذیر به نظر میرسد.
آسیبهای ناشی از ضربه مغزی نیز میتوانند یکی دیگر از اهداف این فناوری باشند. مطالعات جداگانه نشان دادهاند که ضربه به سر میتواند توانایی تخلیه مواد زائد از مغز را کاهش دهد. چنین اسکنهایی شاید روزی بتوانند میزان اختلال ایجاد شده در جریان مایع را مشخص کنند.
اهمیت کشف جدید برای آلزایمر و بیماریهای مغزی
دستاورد اصلی این پژوهش بسیار ملموس است. دانشمندان اکنون میتوانند سرعت حرکت مایع پاکسازیکننده مغز را در یک مغز زنده، از سطح تا عمق، اندازهگیری کنند. همچنین قادرند فشار محرک این جریان و مقاومت بافتهای مختلف را بدون نیاز به جراحی بررسی کنند.
برای نخستین بار، پژوهشگران میتوانند به پرسشهایی پاسخ دهند که پیشتر دستنیافتنی بودند.
آنها خواهند توانست بررسی کنند که آیا کاهش جریان مایع گلیمفاتیک عامل بروز بیماری آلزایمر است یا تنها نتیجه آن محسوب میشود. همچنین میتوانند تغییرات این سیستم در طول روند پیری و توانایی آن برای بازیابی پس از آسیب مغزی را مطالعه کنند.
پروفسور کلی در پایان گفت که امیدوار است روزی بتوان تشخیص داد آیا یک بیمار مبتلا به آلزایمر از گردش ضعیف مایعات در مغز رنج میبرد یا حتی بتوان این مشکل را در مراحل اولیه زندگی شناسایی کرد تا از پیشرفت آلزایمر جلوگیری شود.
نتایج این پژوهش در نشریه علمی Science Advances منتشر شده است.
جمعبندی
این مطالعه نشان میدهد که سیستم گلیمفاتیک در طول خواب با سرعتهای متفاوت در بخشهای مختلف مغز فعالیت میکند. ترکیب هوش مصنوعی و تصویربرداری پزشکی اکنون امکان اندازهگیری دقیق این فرآیند حیاتی را فراهم کرده است؛ دستاوردی که میتواند به تشخیص زودهنگام آلزایمر، درک بهتر بیماریهای عصبی و درمان آسیبهای مغزی کمک کند.
نظر شما درباره نقش خواب در سلامت مغز چیست؟ دیدگاه خود را با ما به اشتراک بگذارید.
