در سال ۱۹۷۹، فرانسیس کریک، یکی از بزرگ‌ترین دانشمندان قرن بیستم و از کاشفان ساختار دی‌ان‌ای، جمله‌ای گفت که تا‌به‌امروز در محافل علوم اعصاب تکرار می‌شود: «درخواست برای انجام کار غیرممکن، بی‌فایده است.» او در آن زمان باور داشت که حتی مطالعه‌ی فقط یک میلی‌متر مکعب از مغز انسان آن‌قدر پیچیده و پر جزئیات است که بعید به‌نظر می‌آید هیچ‌گاه بتوان آن را به‌طور کامل درک کرد. اما اکنون، بیش از چهل سال بعد، دانشمندان به همان بخش کوچک و درک‌ناپذیر از مغز حمله کرده و پیروزی شگفت‌انگیزی به‌دست آورده‌اند.

دانشمندان پروژه‌ی مغز آمریکا، در یکی از بزرگ‌ترین و دقیق‌ترین نقشه‌برداری‌های تاریخ، موفق شدند اتصال‌های عصبی بیش از ۲۰۰ هزار نورون را در بخشی از مغز یک موش بازسازی کنند. این بخش فقط یک میلی‌متر مکعب حجم دارد، اما چیزی در حدود نیم تریلیون اتصال سیناپسی را در خود جای داده است. این دستاورد، گامی بزرگ به‌سوی شناخت ساختار مغز و نحوه‌ی پردازش اطلاعات در سیستم عصبی محسوب می‌شود؛ پیشرفتی که می‌تواند تحولی اساسی در علوم اعصاب، هوش مصنوعی و حتی درمان بیماری‌های روانی رقم بزند.

فارست کالمن از مؤسسه‌ی علوم مغز آلن در سیاتل، می‌گوید: «رفتارهای ما در نهایت از فعالیت مغزی سرچشمه می‌گیرند و بافت مغز در میان پستانداران، شباهت‌های بنیادینی دارد. به همین دلیل، یافته‌های حاصل از مطالعه‌ی مغز موش می‌توانند درک بهتری از عملکرد مغز انسان فراهم کنند.»

تحقق دستاوردی که فرانسیس کریک آن را «غیرممکن» دانسته بود، حاصل هفت سال تلاش پیوسته و همکاری ۱۵۰ پژوهشگر از سه مؤسسه است. پروژه از جایی آغاز شد که گروهی از پژوهشگران، فعالیت نورونی بخشی بسیار کوچک از قشر بینایی موش را در زمان تماشای فیلم و ویدئوهای یوتیوب، ثبت کردند.

به‌دنبال ثبت داده‌های اولیه، گروه دوم مغز موش را به لایه‌هایی بسیار نازک‌تر از موی انسان تقسیم کرد و از هر لایه تصویربرداری انجام داد. این فرایند بسیار حساس در طول ۱۲ شبانه‌روز و بدون توقف ادامه یافت. نونو دا کوستا از مؤسسه‌ی آلن توضیح می‌دهد که در این مدت، نزدیک به ۳۰ هزار لایه از یک مکعب با حجم یک میلی‌متر تهیه شد.

پس از تهیه‌ی تصاویر، گروه سوم با بهره‌گیری از هوش مصنوعی، تمامی لایه‌ها را به نقشه‌ای سه‌بعدی از سلول‌های مغزی تبدیل کرد. حجم داده‌های تولیدشده، ۱٫۶ پتابایت بود، چیزی معادل ۲۲ سال فیلم با کیفیت HD. دانشمندان برای ذخیره و پردازش این داده‌ها از منابع محاسباتی فوق‌العاده قدرتمندی بهره بردند. کالمن درباره‌ی این مرحله می‌گوید: «کار ما شبیه سخت‌ترین کتاب رنگ‌آمیزی جهان بود؛ با صد میلیون تصویر سه‌بعدی که هر سلول باید با رنگی خاص مشخص شود و هوش مصنوعی باید مرز بین سلول‌ها را به‌درستی تشخیص دهد.»

ادغام داده‌های عملکردی با نقشه‌ی نهایی، این امکان را فراهم کرد که فعالیت مغزی موش هنگام تماشای ویدئوها با ساختارهای عصبی مرتبط شناسایی شود. با وجود اندازه‌ی بسیار کوچک این بخش از مغز، بیش از ۲۰۰ هزار نورون، چهار کیلومتر شاخه‌ی عصبی و بیش از ۵۰۰ میلیون سیناپس در آن شناسایی و به خلق تصویری حیرت‌انگیز از پیچیدگی مغز منجر شد.

یکی از نتایج جالب نقشه‌برداری، کشف نوعی از سلول‌های مهاری به‌نام «سلول‌های مارتینوتی» بود. این سلول‌ها برخلاف انتظار، فقط به گروه خاصی از نورون‌ها متصل بودند، آن‌هم نه به‌صورت تصادفی. چنین الگویی نشان می‌دهد که مغز ساختاری بسیار سازمان‌یافته‌تر از آن دارد که پیش‌تر تصور می‌شد. پژوهشگران معتقدند این ساختار هدفمند می‌تواند به شناسایی «قوانین سیم‌کشی» مغز منجر شود که شاید شبیه قوانین فیزیکی، امکان پیش‌بینی و مدل‌سازی را داشته باشند.

دانشمندان می‌گویند نقشه‌برداری فقط آغاز راه است. این نقشه فقط چیزی معادل ۰٫۰۰۰۰۱ درصد از مغز انسان را پوشش می‌دهد. بااین‌حال، پژوهشگران پروژه در حال برنامه‌ریزی برای ترسیم نقشه‌ی کامل کل مغز موش هستند، این کار حدود ۵۰۰ برابر بزرگ‌تر و پیچیده‌تر از پروژه‌ی کنونی است. انجام چنین کاری با فناوری فعلی شاید دهه‌ها طول بکشد، اما تیم پژوهشی امیدوار است با توسعه‌ی فناوری‌های جدید، این زمان را به کمتر از ده سال کاهش دهد.

اما پرسش بزرگی که مطرح می‌شود، این است که آیا این همه تلاش برای مغز موش، واقعاً به شناخت مغز انسان کمک خواهد کرد؟ دانشمندان می‌گویند پاسخ به‌طرز شگفت‌انگیزی مثبت است. مغز موش و انسان در بسیاری از سطوح پایه‌ای شباهت‌های فراوانی دارند. برای مثال، سلول‌های عصبی مشابهی دارند، الگوهای اتصال نورونی مشترک دارند و در پردازش برخی اطلاعات، از مسیرهای مشابهی استفاده می‌کنند. بنابراین، مطالعه‌ی مغز موش نه‌تنها راهی برای فهم عملکردهای عمومی مغز است، بلکه می‌تواند پایه‌ای برای درمان‌های هدفمندتر در حوزه‌ی اختلالات عصبی و روانی انسان باشد.

افزون‌براین، پژوهشگران امیدوارند چنین نقشه‌ای به پر کردن شکاف میان فعالیت عصبی و رفتار انسان کمک کند و در نهایت، به فهم ویژگی‌های پیچیده‌ای مانند هوش بینجامد. اما کاربردهای داده‌ها به همین‌جا ختم نمی‌شود. دا کوستا باور دارد که حتی نظریه‌های مربوط به خودآگاهی نیز می‌توانند با این نقشه آزموده شوند. به گفته‌ی او، پژوهشگران حالا این امکان را دارند که نظریات خود درباره‌ی خودآگاهی را چه برای اثبات و چه برای رد آن‌ها، با داده‌های واقعی آزمایش کنند.

پایه‌های این دستاورد، بر پژوهشی استوار است که در سال گذشته، برای اولین بار، نقشه‌ای کامل از نورون‌های مغز مگس بالغ را ترسیم کرد؛ دستاوردی انقلابی که به درک بهتر از چرخه‌های شبانه‌روزی و تأثیر آن‌ها بر خواب، سوخت‌وساز و سایر فرآیندهای حیاتی منجر شده است.

در‌حال‌حاضر، نقشه‌ی سه‌بعدی و زنده‌ی مغز موش در اختیار دانشمندان سراسر جهان قرار گرفته است تا بتوانند آن را بررسی کنند، مورد آزمایش قرار دهند و در مدل‌سازی‌های پیچیده‌تر به‌کار بگیرند. نقشه‌ی جدید نه‌تنها بسیار ارزشمند است، بلکه امکان مقایسه با نقشه‌های مغزی گونه‌های دیگر را نیز فراهم می‌کند.

به باور دانشمندان، چنین مقایسه‌هایی می‌تواند نشان دهد چه سلول‌ها و الگوهایی، ویژه‌ی یک گونه هستند و کدام ویژگی‌ها در طول تکامل، میان گونه‌های مختلف حفظ شده‌اند. در نهایت، شاید حتی به پاسخ این پرسش نزدیک‌تر شویم که چه چیزی از ما «انسان» می‌سازد.

شاید کریک اشتباه نکرده بود که می‌گفت مطالعه‌ی مغز غیرممکن است، اما حالا می‌دانیم که «غیرممکن» گاهی فقط به معنی کاری است که هنوز انجامش نداده‌ایم.

به گزارش زومیت، مجموعه‌ی یافته‌های پروژه در قالب هشت مقاله در مجله‌های نیچر منتشر شده است.