علوم اعصاب برای هوش مصنوعی؛ تغییر اولویت‌ها با افزایش سن

Abstract

Young animals learn to sense the environment and to move around, while kept relatively safe. Their neural system grows in the process and matures not much later after they reach adult size. Despite individual differences, the network of different modules in the brain matures in childhood and adolescence. Older people do not sleep as much, and their memories might be kept as an evolutionary treasure that can be key to the survival of a population in difficult years.

چکیده

حیوانات جوان یاد می‌گیرند که محیط را حس کنند و در حالی که نسبتاً ایمن نگه داشته می‌شوند، حرکت کنند. سیستم عصبی آنها در این فرآیند رشد می‌کند و پس از رسیدن به اندازه بزرگسالی، خیلی دیرتر بالغ نمی‌شود. علیرغم تفاوت‌های فردی، شبکه ماژول‌های مختلف در مغز در دوران کودکی و نوجوانی بالغ می‌شود. افراد مسن به اندازه کافی نمی‌خوابند و خاطرات آنها ممکن است به عنوان یک گنجینه تکاملی حفظ شود که می‌تواند کلید بقای یک جمعیت در سال‌های دشوار باشد.

Keywords

Cerebellum development, autism spectrum disorder (ASD), Feedforward bias, modularization, default network, Anterior hippocampus, Alzheimer’s disease, Sleep fragmentation.

کلمات کلیدی

رشد مخچه، اختلال طیف اوتیسم (ASD)، بایاس پیشخور، مدولاسیون، شبکه پیش‌فرض، هیپوکامپ قدامی، بیماری آلزایمر، تکه‌تکه شدن خواب.

۳.۱ Growing and Learning with the Cerebellum

We are born confused, even with eyes open. As everything is still growing, a challenging task for the neural system is not to be too awkward (and get caught by a predator), but also not too perfect that the connections would have to be revamped for adult dimensions. For example, as the head size of an owl grows, the auditory circuits grow as well, and mature only after reaching the adult size^۱. The vision develops with spontaneous activities and with stimuli (Chapter 2). A pleasant smell could be remembered for decades. 

۳.۱ رشد و یادگیری با مخچه

ما حتی با چشمان باز، گیج به دنیا می‌آییم. از آنجایی که همه چیز هنوز در حال رشد است، یک کار چالش برانگیز برای سیستم عصبی این نیست که خیلی دست و پا چلفتی باشد (و توسط یک شکارچی گیر بیفتد)، بلکه خیلی هم کامل نباشد که اتصالات برای ابعاد بزرگسالی نیاز به بازسازی داشته باشند. به عنوان مثال، با بزرگ شدن اندازه سر یک جغد، مدارهای شنوایی نیز رشد می‌کنند و تنها پس از رسیدن به اندازه بزرگسالی بالغ می‌شوند^۱. بینایی با فعالیت‌های خودجوش و با محرک‌ها توسعه می‌یابد (فصل ۲). یک بوی دلپذیر می‌تواند برای دهه‌ها به خاطر سپرده شود.

The cerebellum is part of the hindbrain (Chapter 1, Figs. 1.1 and 1.5) that coordinates movements and is implicated in many functions. The new neurons migrate to their proper places before and after birth, and gradually interconnect into an efficient network (Figs. 3.1 and 3.2). Purkinje cells form elaborate branches and also have dendritic spines. The final output is inhibitory (Fig. 3.2).

مخچه بخشی از مغز عقبی است (فصل ۱، شکل‌های ۱.۱ و ۱.۵) که حرکات را هماهنگ می‌کند و در بسیاری از عملکردها دخیل است. نورون‌های جدید قبل و بعد از تولد به مکان‌های مناسب خود مهاجرت می‌کنند و به تدریج در یک شبکه کارآمد به هم متصل می‌شوند (شکل‌های ۳.۱ و ۳.۲). سلول‌های پورکنژ شاخه‌های پیچیده‌ای تشکیل می‌دهند و همچنین دارای خارهای دندریتی هستند. خروجی نهایی مهاری است (شکل ۳.۲).

Figure 3.1 Postnatal (after birth) development of cerebellar connections. (A) When the human and rodent timelines are aligned on the basis of major cellular and/or developmental events in the cerebellum, in humans the window of vulnerability to injury (indicated by pink shading) is mostly late gestational, whereas in preclinical rodent models it is mostly postnatal. (B) Cellular schematic of events depicted in the timeline in panel (A) showing external granule layer (EGL) expansion (light green), dendritic arborization of PCs (blue) and white matter (WM) interneuron migration in the first postnatal week. Migration of GCs into the internal granule layer (IGL; dark green) continues in the second postnatal week with concomitant reduction in EGL and circuit formation. In the adult, formation of cerebellar circuitry is completed, the EGL has disappeared and migrating immature interneurons have been integrated into the cerebellar cortical circuitry. A, anterior; D, dorsal; E, embryonic day; GL, granule layer; L, lateral; M, medial; ML, molecular layer; P, posterior; PO, postnatal day O; PCL, Purkinje cell layer; V, ventral.
Credit: Fig. 1c, d of ref. 3. Part A was adapted by ref. 3 from ref. 10.

شکل ۳.۱ توسعه ارتباطات مخچه پس از تولد (بعد از تولد). (الف) هنگامی که جدول زمانی انسان و جوندگان بر اساس رویدادهای اصلی سلولی و/یا رشدی در مخچه تنظیم می‌شود، در انسان، پنجره آسیب‌پذیری به آسیب (که با سایه صورتی نشان داده شده است) عمدتاً در اواخر بارداری است، در حالی که در مدل‌های پیش‌بالینی جوندگان، عمدتاً پس از تولد است. (ب) شماتیک سلولی از وقایع نشان داده شده در جدول زمانی در پنل (الف) که گسترش لایه گرانول خارجی (EGL) (سبز روشن)، درختی شدن دندریتی PCها (آبی) و مهاجرت نورون‌های بینابینی ماده سفید (WM) را در هفته اول پس از تولد نشان می‌دهد. مهاجرت GCها به لایه گرانول داخلی (IGL؛ سبز تیره) در هفته دوم پس از تولد با کاهش همزمان EGL و تشکیل مدار ادامه می‌یابد. در بزرگسالی، تشکیل مدار مخچه تکمیل شده است، EGL ناپدید شده است و نورون‌های رابط نابالغ مهاجر در مدار قشر مخچه ادغام شده‌اند. A، قدامی؛ D، پشتی؛ E، روز جنینی؛ GL، لایه گرانول؛ L، جانبی؛ M، میانی؛ ML، لایه مولکولی؛ P، خلفی؛ PO، روز پس از تولد O؛ PCL، لایه سلول‌های پورکنژ؛ V، شکمی.
منبع: شکل 1c، d از مرجع ۳. بخش A توسط مرجع ۳ از مرجع ۱۰ اقتباس شده است.

Figure 3.2 Essential features of cerebellar connections and circuitry. (A) General scheme of input and output connections to and from the cerebellum. Main inputs include the spinal cord, inferior olive and pontine nuclei. Main outputs include connections from cerebellar nuclei to the cerebral cortex via the thalamus. (B) Cellular anatomy and circuit connections within the cerebellar cortex. Purkinje cells (PCs) are shown in light blue, granule cells (GCS) in green, molecular layer interneurons (MLIS) in salmon pink, Golgi cells (GoCs) in dark green, unipolar brush cell interneuron in purple, input from inferior olive is shown in dark blue and input from the brain and spinal cord is shown in gray.
Credit: Fig. 1a, b of ref. 3.

شکل ۳.۲ ویژگی‌های اساسی اتصالات و مدارهای مخچه. (الف) طرح کلی اتصالات ورودی و خروجی به و از مخچه. ورودی‌های اصلی شامل نخاع، هسته‌های زیتونی تحتانی و پونتین است. خروجی‌های اصلی شامل اتصالات از هسته‌های مخچه به قشر مغز از طریق تالاموس است. (ب) آناتومی سلولی و اتصالات مداری در قشر مخچه. سلول‌های پورکنژ (PCs) به رنگ آبی روشن، سلول‌های گرانولی (GCS) به رنگ سبز، نورون‌های رابط لایه مولکولی (MLIS) به رنگ صورتی روشن، سلول‌های گلژی (GoCs) به رنگ سبز تیره، نورون رابط سلول برس تک قطبی به رنگ بنفش، ورودی از زیتونی تحتانی به رنگ آبی تیره و ورودی از مغز و نخاع به رنگ خاکستری نشان داده شده‌اند.
منبع: شکل 1a، b از مرجع ۳.

A typical pyramidal neuron in the mouse neocortex has approximately 8,000 synapses^۲. In contrast, it is estimated that a single Purkinje cell (PC) in the cerebellum may have around 200,000 synapses^۳. Parallel fibers from granule cells usually make a single synapse with a PC, while climbing fibers make over 500 synapses with a single PC^۴. Such a capacity and robustness may be one reason why we never forget how to ride a bike or how to rope-skip. While those with autism spectrum disorder (ASD) could appear not as awkward once they grow up, adaptive learning through the cerebellum is often still not as easy for those with ASD as for other people (Fig. 3.3). Cells in the cerebellum also participate in the integration and modulation of multiple senses, which then feeds information to the thalamus (Fig. 3.4)^۳.

یک نورون هرمی معمولی در نئوکورتکس موش تقریباً ۸۰۰۰ سیناپس دارد^۲. در مقابل، تخمین زده می‌شود که یک سلول پورکینژ (PC) در مخچه ممکن است حدود ۲۰۰۰۰۰ سیناپس داشته باشد^۳. فیبرهای موازی از سلول‌های گرانول معمولاً یک سیناپس با یک PC می‌سازند، در حالی که فیبرهای بالارونده بیش از ۵۰۰ سیناپس با یک PC می‌سازند. چنین ظرفیت و استحکامی ممکن است یکی از دلایلی باشد که ما هرگز فراموش نمی‌کنیم که چگونه دوچرخه‌سواری کنیم یا چگونه طناب بزنیم. در حالی که افراد مبتلا به اختلال طیف اوتیسم (ASD) ممکن است پس از بزرگ شدن به اندازه افراد دیگر دست و پا چلفتی به نظر نرسند، یادگیری تطبیقی ​​از طریق مخچه اغلب برای افراد مبتلا به ASD به آسانی افراد دیگر نیست (شکل ۳.۳). سلول‌های مخچه همچنین در ادغام و تعدیل حواس چندگانه شرکت می‌کنند که سپس اطلاعات را به تالاموس می‌رساند (شکل ۳.۴)^۳.

Figure 3.3 In a mouse model of neonatal brain injury, which is a risk factor for ASD, PC dendritic formation is delayed and spike patterns are altered. Delayed development of PC dendritic arborizations during the first 2 postnatal weeks likely causes alterations in PC circuitry and physiology, resulting in significant long-term learning deficits. Reduced numbers of synapses are a characteristic of many neurodevelopmental diseases. Mutations in the postsynaptic scaffolding protein family shank are strongly associated with ASD. PCs in Shank2-knockout mice fire simple spikes with altered regularity and display synaptic plasticity deficits. Future experiments may help to determine specific synaptic PC deficits in neonatal brain injury models to address potential convergence with knockout and mutant models.
Credit: Box 1b of ref. 3.

شکل ۳.۳ در یک مدل موشی آسیب مغزی نوزادی، که یک عامل خطر برای ASD است، تشکیل دندریتی PC به تأخیر می‌افتد و الگوهای اسپایک تغییر می‌کنند. تأخیر در توسعه شاخه‌بندی‌های دندریتی PC در طول ۲ هفته اول پس از تولد احتمالاً باعث تغییراتی در مدار و فیزیولوژی PC می‌شود و در نتیجه نقص‌های یادگیری بلندمدت قابل توجهی ایجاد می‌کند. کاهش تعداد سیناپس‌ها از ویژگی‌های بسیاری از بیماری‌های عصبی-رشدی است. جهش‌ها در خانواده پروتئین داربست پس سیناپسی، ساق، به شدت با ASD مرتبط هستند. PCها در موش‌های فاقد Shank2، اسپایک‌های ساده‌ای را با نظم تغییر یافته شلیک می‌کنند و نقص‌های انعطاف‌پذیری سیناپسی را نشان می‌دهند. آزمایش‌های آینده ممکن است به تعیین نقص‌های خاص PC سیناپسی در مدل‌های آسیب مغزی نوزادی برای رسیدگی به همگرایی بالقوه با مدل‌های فاقد Shank و جهش‌یافته کمک کند.
منبع: کادر ۱b از مرجع ۳.

Figure 3.4 Multisensory integration in the cerebellum. Granule cells (light green) integrate sensory information (auditory, visual and somatosensory), resulting in multisensory integration. Golgi cells (green) are also involved in the modulation of sensory information flowing into the cerebellum. Integration of sensory information from complex stimuli such as speech is impaired in autism spectrum disorder.
Credit: Fig. 3b of ref. 3.

شکل ۳.۴ ادغام چندحسی در مخچه. سلول‌های گرانول (سبز روشن) اطلاعات حسی (شنوایی، بینایی و حسی-پیکری) را ادغام می‌کنند و در نتیجه ادغام چندحسی ایجاد می‌شود. سلول‌های گلژی (سبز) همچنین در تعدیل اطلاعات حسی که به مخچه جریان می‌یابد، نقش دارند. ادغام اطلاعات حسی از محرک‌های پیچیده مانند گفتار در اختلال طیف اوتیسم مختل می‌شود.
منبع: شکل 3b از مرجع ۳.

Besides, some mutations that often occur in ASD could skew the development of cortical neurons, especially y-aminobutyric- acid-releasing (GABAergic) interneurons and deep-layer excitatory projection neurons^۵, which might then impact sleep (Chapter 6), cognition (Chapter 9) and the sensing of speed (Chapter 7). In addition to dedicated sources of interneurons during development, recent studies have found cells in the cortex and in the cerebellum that can give rise to both excitatory and inhibitory neurons^۶-۸; Pyramidal neurons regulate the survival of interneurons as they develop proper ratios and connections^۹.

علاوه بر این، برخی جهش‌ها که اغلب در ASD رخ می‌دهند، می‌توانند رشد نورون‌های قشری، به ویژه نورون‌های رابط آزادکننده γ-آمینوبوتیریک اسید (GABAergic) و نورون‌های برون‌ریزی تحریکی لایه عمیق۵ را منحرف کنند، که ممکن است بر خواب (فصل ۶)، شناخت (فصل ۹) و حس سرعت (فصل ۷) تأثیر بگذارند. علاوه بر منابع اختصاصی نورون‌های رابط در طول رشد، مطالعات اخیر سلول‌هایی را در قشر و مخچه یافته‌اند که می‌توانند باعث ایجاد نورون‌های تحریکی و مهاری ^۶-۸ شوند. نورون‌های هرمی بقای نورون‌های رابط را با ایجاد نسبت‌ها و اتصالات مناسب تنظیم می‌کنند^۹.

۳.۲ A Cortical Network that Ripens with Age

For most animals, the number of synapses increases after birth, as the cells grow and contact one another. In the worm Caenorhabditis elegans, neurites grow uniformly according to the shapes and relative positions that have been laid out at birth^۱۱. As the worm matures into adulthood, however, the connections from sensory input to action become increasingly feedforward and modular^۱۱ (Fig. 3.5). So the brain becomes more reflexive with age.

۳.۲ شبکه‌ای قشری که با افزایش سن بالغ می‌شود

برای اکثر حیوانات، تعداد سیناپس‌ها پس از تولد افزایش می‌یابد، زیرا سلول‌ها رشد می‌کنند و با یکدیگر تماس پیدا می‌کنند. در کرم Caenorhabditis elegans، نوریت‌ها به طور یکنواخت طبق شکل‌ها و موقعیت‌های نسبی که در بدو تولد مشخص شده‌اند، رشد می‌کنند^۱۱. با این حال، با بالغ شدن کرم و رسیدن به بزرگسالی، ارتباطات از ورودی حسی به عمل به طور فزاینده‌ای رو به جلو و مدولار می‌شوند۱۱ (شکل ۳.۵). بنابراین مغز با افزایش سن، واکنشی‌تر می‌شود.

Figure 3.5 Developmental increase in feedforward signaling and modularity in the Caenorhabditis elegans brain. 8 isogeneic hermaphrodite worms were analyzed by serial-section electron microscopy. (A) Schematic of feedforward, feedback and recurrent connections defined by cell types. (B) Proportions of the total number of synapses in feedforward, feedback and recurrent connections. *P = 0.017, ***p = 2.0 x 10, NS, not significant (P = 0.11), Spearman’s rank correlation, FDR-adjusted using Benjamini-Hochberg correction. (C) Left, schematic of brain-wide synaptic changes from birth to adulthood. Right, principles of maturation describing synaptic changes at the level of brain geometry, individual neurons, neuron types and entire networks. Thicker lines represent stronger connections with more synapses. About 43% of all cell-cell connections-accounting for 16% of all chemical synapses are not conserved between isogenic individuals.
Credit: Fig. 3a,b and Fig. 4 of ref. 11.

شکل ۳.۵ افزایش رشدی در سیگنالینگ رو به جلو و مدولار بودن در مغز Caenorhabditis elegans. ۸ کرم هرمافرودیت ایزوژنیک با میکروسکوپ الکترونی مقطعی سریالی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. (الف) شماتیک اتصالات رو به جلو، بازخورد و عودکننده که بر اساس انواع سلول تعریف شده‌اند. (ب) نسبت تعداد کل سیناپس‌ها در اتصالات رو به جلو، بازخورد و عودکننده. *P = 0.017، ***p = 2.0 x 10، NS، معنی‌دار نیست (P = 0.11)، همبستگی رتبه‌ای اسپیرمن، تنظیم‌شده با FDR با استفاده از تصحیح Benjamini-Hochberg. (C) چپ، شماتیک تغییرات سیناپسی در سطح مغز از بدو تولد تا بزرگسالی. راست، اصول بلوغ که تغییرات سیناپسی را در سطح هندسه مغز، نورون‌های منفرد، انواع نورون‌ها و کل شبکه‌ها توصیف می‌کند. خطوط ضخیم‌تر نشان‌دهنده ارتباطات قوی‌تر با سیناپس‌های بیشتر هستند. حدود ۴۳٪ از کل ارتباطات سلول-سلول – که ۱۶٪ از کل سیناپس‌های شیمیایی را تشکیل می‌دهند – بین افراد ایزوژنیک حفظ نشده‌اند.
منبع: شکل ۳a، b و شکل ۴ از مرجع ۱۱.

Connections increase as the physical contacts grow, adding synapses to existing connections between neurons and creating new connections between neurons; A portion of the synapses have been remodeled to form subnetworks, and the modules are reminiscent of those in the brain of larger animals (Fig. 3.5C, Chapter 1).

ارتباطات با رشد تماس‌های فیزیکی افزایش می‌یابند و سیناپس‌ها به ارتباطات موجود بین نورون‌ها اضافه می‌شوند و ارتباطات جدیدی بین نورون‌ها ایجاد می‌شوند. بخشی از سیناپس‌ها برای تشکیل زیرشبکه‌ها بازسازی شده‌اند و ماژول‌ها یادآور ماژول‌های موجود در مغز حیوانات بزرگتر هستند (شکل ۳.5C، فصل ۱).

In guinea pig, the number of synapses reaches adult level at birth, but some of the postsynaptic dendritic spines grow much sturdier as the animal matures (Fig. 3.6). We’ll see more of these dendritic spines as we discuss memory in Chapter 5.

در خوکچه هندی، تعداد سیناپس‌ها در بدو تولد به سطح بزرگسالی می‌رسد، اما برخی از خارهای دندریتیک پس سیناپسی با بالغ شدن حیوان بسیار محکم‌تر می‌شوند (شکل ۳.۶). در فصل ۵، هنگام بحث در مورد حافظه، تعداد بیشتری از این خارهای دندریتیک را خواهیم دید.

Figure 3.6 Fragments of spiny dendrites of adult guinea pigs (A) and guinea pigs around birth (B). Camera lucida tracings of Golgi pictures. The thicker spines are more frequent in adult samples. So although the number of cortical synapses increased to adult level before birth, we can safely assume that the newborns are actively learning.
Credit: From Fig. 55 of ref. 2, which was Fig. 4 of ref. 12.

شکل ۳.۶ قطعاتی از دندریت‌های خاردار خوکچه هندی بالغ (A) و خوکچه هندی در حوالی تولد (B). ردیابی دوربین لوسیدا از تصاویر گلژی. خارهای ضخیم‌تر در نمونه‌های بالغ بیشتر هستند. بنابراین اگرچه تعداد سیناپس‌های قشری قبل از تولد به سطح بزرگسالی افزایش یافته است، می‌توانیم با اطمینان فرض کنیم که نوزادان به طور فعال در حال یادگیری هستند.
منبع: از شکل ۵۵ مرجع ۲، که شکل ۴ مرجع … بود. ۱۲.

In humans, the brain’s gray matter volume peaks at 5.9 years while white matter volume peaks at 28.7 years (Fig. 3.7), with potential relevance for age-dependent occurrence of a number of neuropsychiatric disorders^۱۳.

در انسان‌ها، حجم ماده خاکستری مغز در ۵.۹ سالگی به اوج خود می‌رسد در حالی که حجم ماده سفید در ۲۸.۷ سالگی به اوج خود می‌رسد (شکل ۳.۷)، که می‌تواند با وقوع تعدادی از اختلالات عصبی-روانی وابسته به سن مرتبط باشد^۱۳.

People are better at navigating in environments similar to where they grow up, e.g., cities with a regular layout versus cities with a higher entropy in their street networks14 (more on spatial navigation in Chapter 7).

افراد در محیط‌هایی مشابه محل رشد خود، مانند شهرهایی با طرح منظم در مقابل شهرهایی با آنتروپی بالاتر در شبکه‌های خیابانی خود، در جهت‌یابی بهتر عمل می‌کنند۱۴ (بیشتر در مورد جهت‌یابی فضایی در فصل ۷).

Figure 3.7 Neurodevelopmental milestones. Top, a graphical summary of the normative trajectories of the median (50th centile) for each global magnetic resonance imaging (MRI) phenotype, and key developmental milestones, as a function of age (log-scaled). Circles depict the peak rate of growth milestones for each phenotype (defined by the maxima of the first derivatives of the median trajectories). Triangles depict the peak volume of each phenotype (defined by the maxima of the median trajectories)^۱۳. Bottom, a graphical summary of additional MRI and non-MRI developmental stages and milestones. From top to bottom: blue shaded boxes denote the age range of incidence for each of the major clinical disorders represented in the MRI dataset; black boxes denote the age at which these conditions are generally diagnosed as derived from literature13; brown lines represent the normative intervals for developmental milestones derived from non- MRI data, based on previous literature and averaged across males and females (Methods); gray bars depict age ranges for existing (World Health Organization (WHO) and Centers for Disease Control and Prevention (CDC)) growth charts of anthropometric and ultrasonographic variable. Across both panels, light gray vertical lines delimit lifespan epochs (labelled above the top panel) previously defined by neurobiological criteria. Tanner refers to the Tanner scale of physical development. AD, Alzheimer’s disease; ADHD, attention deficit hyperactivity disorder; ASD, autism spectrum disorder (including high-risk individuals with confirmed diagnosis at a later age); ANX, anxiety or phobic disorders; BD, bipolar disorder; MDD, major depressive disorder; RMR, resting metabolic rate; SCZ, schizophrenia.
Credit: Fig. 3 of ref. 13.

شکل ۳.۷ نقاط عطف رشد عصبی. در بالا، خلاصه‌ای گرافیکی از مسیرهای هنجاری میانه (صدک پنجاهم) برای هر فنوتیپ تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) جهانی و نقاط عطف کلیدی رشد، به عنوان تابعی از سن (با مقیاس لگاریتمی). دایره‌ها، نرخ اوج نقاط عطف رشد را برای هر فنوتیپ نشان می‌دهند (که توسط حداکثر مشتقات اول مسیرهای میانه تعریف می‌شود). مثلث‌ها، حجم اوج هر فنوتیپ را نشان می‌دهند (که توسط حداکثر مسیرهای میانه تعریف می‌شود)^۱۳. در پایین، خلاصه‌ای گرافیکی از مراحل و نقاط عطف رشد MRI و غیر MRI اضافی. از بالا به پایین: کادرهای سایه‌دار آبی، محدوده سنی بروز هر یک از اختلالات بالینی اصلی نشان داده شده در مجموعه داده‌های MRI را نشان می‌دهند؛ کادرهای سیاه، سنی را نشان می‌دهند که این بیماری‌ها به طور کلی بر اساس منابع ۱۳ تشخیص داده می‌شوند؛ خطوط قهوه‌ای، فواصل هنجاری برای نقاط عطف رشد را نشان می‌دهند که از داده‌های غیر MRI، بر اساس منابع قبلی و میانگین‌گیری شده در مردان و زنان (روش‌ها) به دست آمده‌اند. میله‌های خاکستری، محدوده‌های سنی نمودارهای رشد موجود (سازمان بهداشت جهانی (WHO) و مراکز کنترل و پیشگیری از بیماری‌ها (CDC)) از متغیرهای آنتروپومتریک و سونوگرافی را نشان می‌دهند. در هر دو پنل، خطوط عمودی خاکستری روشن، دوره‌های طول عمر (با برچسب بالای پنل بالا) را که قبلاً توسط معیارهای نوروبیولوژیکی تعریف شده‌اند، مشخص می‌کنند. تانر به مقیاس تانر در مورد رشد جسمی اشاره دارد. AD، بیماری آلزایمر؛ ADHD، اختلال بیش‌فعالی کمبود توجه؛ ASD، اختلال طیف اوتیسم (شامل افراد پرخطر با تشخیص تأیید شده در سنین بالاتر)؛ ANX، اختلالات اضطرابی یا فوبیا؛ BD، اختلال دوقطبی؛ MDD، اختلال افسردگی اساسی؛ RMR، میزان متابولیسم استراحت؛ SCZ، اسکیزوفرنی.
منبع: شکل ۳ از مرجع ۱۳.

Figure 3.8 Functional connectivity gradients gradually mature across childhood and adolescence (compare with Chapter 1). (A) Participants are divided into groups at 1-year age intervals. Gradient values are displayed on the lateral surface of the left and right hemispheres in which the proximity of colors within each age group indicates the similarity of connectivity patterns across the cortex. The principal gradient (gradient one), which accounts for the greatest variance in connectivity, segregates unimodal regions in childhood. Across development, a gradual transition was observed in gradient one, reflecting the shift to an adult-like architecture after 12 years of age, at one end anchored by sensory and motor regions and at the other end by the association cortex. Gradient two surface maps reveal the inverse transitional profile across development. Here, the extreme ends of gradient two reflect a mixture of the unimodal and association cortex until 14 years old, at which point gradient values within the association cortex decrease, while the functional separation between the somato/motor and visual regions becomes more prominent. (B) Red parcels denote regions within the default network. The black lines denote parcel and network boundaries based on Yeo et al.’s^۱۷ seven-network solution averaged across the 400-parcel functional atlas of Schaefer and colleagues ^۱۸. Graphs display average gradient one and gradient two values within the default network for each 1-year bin. (C) Radar plot displays the age at which the default network gradient values peak during development across each of the first six gradients. Radar plots for the remaining large-scale networks are available in ref. 19.
Credit: Fig. 3 of ref. 19.

شکل ۳.۸ گرادیان‌های اتصال عملکردی به تدریج در دوران کودکی و نوجوانی بالغ می‌شوند (با فصل ۱ مقایسه کنید). (الف) شرکت‌کنندگان در فواصل سنی ۱ ساله به گروه‌هایی تقسیم می‌شوند. مقادیر گرادیان روی سطح جانبی نیمکره‌های چپ و راست نمایش داده می‌شوند که در آن نزدیکی رنگ‌ها در هر گروه سنی، شباهت الگوهای اتصال در سراسر قشر مغز را نشان می‌دهد. گرادیان اصلی (گرادیان یک)، که بیشترین واریانس در اتصال را تشکیل می‌دهد، مناطق تک‌وجهی را در دوران کودکی از هم جدا می‌کند. در طول رشد، یک گذار تدریجی در گرادیان یک مشاهده شد که نشان دهنده تغییر به معماری شبیه بزرگسالان پس از ۱۲ سالگی است، که در یک انتها توسط مناطق حسی و حرکتی و در انتهای دیگر توسط قشر ارتباطی تثبیت شده است. نقشه‌های سطح گرادیان دو، نمایه انتقالی معکوس را در طول رشد نشان می‌دهند. در اینجا، انتهای انتهایی گرادیان دو، ترکیبی از قشر تک‌وجهی و ارتباطی را تا ۱۴ سالگی نشان می‌دهند، که در آن نقطه مقادیر گرادیان در قشر ارتباطی کاهش می‌یابد، در حالی که جدایی عملکردی بین مناطق جسمی/حرکتی و بینایی برجسته‌تر می‌شود. (ب) قطعات قرمز نشان دهنده مناطقی در شبکه پیش‌فرض هستند. خطوط سیاه نشان‌دهنده مرزهای قطعه زمین و شبکه بر اساس راه‌حل هفت شبکه‌ای یئو و همکاران^۱۷ هستند که به طور میانگین در سراسر اطلس عملکردی ۴۰۰ قطعه زمین شافر و همکارانش۱۸ محاسبه شده‌اند. نمودارها مقادیر میانگین گرادیان یک و گرادیان دو را در شبکه پیش‌فرض برای هر بازه ۱ ساله نشان می‌دهند. (ج) نمودار رادار، سنی را نشان می‌دهد که در آن مقادیر گرادیان شبکه پیش‌فرض در طول توسعه در هر یک از شش گرادیان اول به اوج خود می‌رسند. نمودارهای رادار برای شبکه‌های بزرگ باقیمانده در مرجع ۱۹ موجود است.
منبع: شکل ۳ از مرجع ۱۹.

The human brain’s default network (seen as increased blood flow in functional magnetic resonance imaging (fMRI)), is deactivated by attention-demanding tasks that engages the external world, and becomes active for self-referential processes such as autobiographical memory, introspection, emotional processing, and social inferences^{۱۵, ۱۶} (more on social cognition in Section 7.9). The external-oriented and the internal-oriented networks appear to compete15. The default network probably matures later than visual associative learning, and becomes similar to that in adults only after puberty (Fig. 3.8).

شبکه پیش‌فرض مغز انسان (که در تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI) به صورت افزایش جریان خون دیده می‌شود) توسط وظایف نیازمند توجه که با دنیای خارجی درگیر هستند غیرفعال می‌شود و برای فرآیندهای خودارجاعی مانند حافظه شرح حال، درون‌نگری، پردازش عاطفی و استنتاج‌های اجتماعی فعال می‌شود^{۱۵، ۱۶} (بیشتر در مورد شناخت اجتماعی در بخش ۷.۹). به نظر می‌رسد شبکه‌های برون‌گرا و درون‌گرا با هم رقابت می‌کنند۱۵. شبکه پیش‌فرض احتمالاً دیرتر از یادگیری تداعی بصری بالغ می‌شود و تنها پس از بلوغ شبیه به بزرگسالان می‌شود (شکل ۳.۸).

Figure 3.9 Sleep architecture in young and old individuals. Hypnograms are constructed from EEG recordings and display the cyclic transitions between sleep stages. The two schematic hypnograms illustrate the sleep architecture of young and old individuals who transition spontaneously between the awake state, REM sleep, and NREM (stages 1 to 3) sleep. Stage 1 NREM sleep is light sleep, whereas stage 3 NREM sleep is the deepest sleep stage and is characterized by slow-wave EEG activity. For young people, deep (stage 3) NREM sleep dominates in the early phases of sleep, whereas REM sleep is more frequent in the later phases. Sleep spindles are most frequent in stage 2 NREM sleep. By contrast, for people older than 60 years of age, sleep is often interrupted by short awake episodes, and older individuals do not typically enter stage 3 NREM sleep. Total sleep time decreases by 10 min for each decade of life^۲۰. Green shading indicates the proposed efficacy of glymphatic clearance on the basis of data collected in rodents^{۲۴, ۲۵}. The lack of stage 3 NREM sleep, the frequent interruptions of stage 1 and 2 NREM sleep, and the shorter total sleep time all serve to decrease glymphatic activity in aging. Critically, a number of disorders and conditions can suppress glymphatic function during NREM sleep, further exacerbating the effects of glymphatic dysfunction in neurodegenerative disease.
Credit: Fig. 3 of ref. 26.

شکل ۳.۹ معماری خواب در افراد جوان و پیر. هیپنوگرام‌ها از ضبط‌های EEG ساخته شده‌اند و گذارهای چرخه‌ای بین مراحل خواب را نشان می‌دهند. دو هیپنوگرام شماتیک، معماری خواب افراد جوان و پیر را نشان می‌دهند که به طور خودجوش بین حالت بیداری، خواب REM و خواب NREM (مراحل ۱ تا ۳) در حال گذار هستند. مرحله ۱ خواب NREM خواب سبکی است، در حالی که مرحله ۳ خواب NREM عمیق‌ترین مرحله خواب است و با فعالیت EEG موج آهسته مشخص می‌شود. برای جوانان، خواب NREM عمیق (مرحله ۳) در مراحل اولیه خواب غالب است، در حالی که خواب REM در مراحل بعدی بیشتر دیده می‌شود. دوک‌های خواب در مرحله ۲ خواب NREM بیشترین فراوانی را دارند. در مقابل، برای افراد بالای ۶۰ سال، خواب اغلب با دوره‌های کوتاه بیداری قطع می‌شود و افراد مسن معمولاً وارد مرحله ۳ خواب NREM نمی‌شوند. کل زمان خواب برای هر دهه از زندگی ۱۰ دقیقه کاهش می‌یابد^۲۰. سایه سبز نشان دهنده اثربخشی پیشنهادی پاکسازی گلیمفاتیک بر اساس داده‌های جمع‌آوری شده در جوندگان است^{۲۴، ۲۵}. فقدان خواب NREM مرحله ۳، وقفه‌های مکرر خواب NREM مرحله ۱ و ۲، و کل زمان خواب کوتاه‌تر، همگی در کاهش فعالیت گلیمفاتیک در پیری نقش دارند. نکته مهم این است که تعدادی از اختلالات و شرایط می‌توانند عملکرد گلیمفاتیک را در طول خواب NREM سرکوب کنند و اثرات اختلال عملکرد گلیمفاتیک را در بیماری‌های نورودژنراتیو تشدید کنند.
منبع: شکل ۳ از مرجع ۲۶.

This default network has been functionally linked to the anterior hippocampus, while the posterior hippocampus is linked to the parietal memory network (PMN) including visual/ perceptual neocortical regions ^۱۶, similar to the ventral versus dorsal hippocampus in rats and mice (Figs. 1.6 and 6.12).

این شبکه پیش‌فرض از نظر عملکردی به هیپوکامپ قدامی مرتبط شده است، در حالی که هیپوکامپ خلفی به شبکه حافظه جداری (PMN) از جمله مناطق نئوکورتیکال بصری/ادراکی ^۱۶ مرتبط است، مشابه هیپوکامپ شکمی در مقابل هیپوکامپ پشتی در موش‌ها و موش‌های خانگی (شکل‌های ۱.۶ و ۶.۱۲).

With all the neuronal connections essentially there, older people do not sleep as much or as deeply (Fig. 3.9), but could function more robustly despite sleep deprivation^{۲۰, ۲۱}. In aged mice, hypocretin/orexin-expressing neurons associated with wakefulness and REM (Rapid Eye Movement) sleep were fewer in number, but fired more frequently ^{۲۲, ۲۳}. Older deer and elephants can lead their group to sources of food or water in time of crises. So the memory (Chapters 4 and 5) is perhaps not overwritten for a reason. We’ll talk more about sleep in Chapter 6.

با وجود تمام ارتباطات عصبی که اساساً در آنجا وجود دارد، افراد مسن به اندازه کافی یا عمیق نمی‌خوابند (شکل ۳.۹)، اما می‌توانند با وجود محرومیت از خواب، عملکرد قوی‌تری داشته باشند.^{۲۰، ۲۱}. در موش‌های مسن، نورون‌های بیان‌کننده هیپوکرتین/اورکسین مرتبط با بیداری و خواب REM (حرکت سریع چشم) از نظر تعداد کمتر بودند، اما بیشتر فعال می‌شدند.^{۲۲، ۲۳}. گوزن‌ها و فیل‌های مسن‌تر می‌توانند در مواقع بحرانی گروه خود را به سمت منابع غذا یا آب هدایت کنند. بنابراین حافظه (فصل‌های ۴ و ۵) شاید به دلیلی رونویسی نشود. در فصل ۶ بیشتر در مورد خواب صحبت خواهیم کرد.

۳.۳ Summary

As a book for electrical engineers and data scientists first, it would be too much to talk about various aspects of neurodevelopment. Young animals are perhaps where the traditional term of “wiring” is appropriate (but not in worms or guinea pigs, who already have their blueprint laid out), with cells being divided up, moving into places and forming landmarks, branching out and figuring out their connections. This is perhaps one reason why psychiatrists dig into one’s childhood experiences. As Dr. Santiago Ramón y Cajal said, “the total arborization of a neuron represents the graphic history of conflicts suffered from its embryonic life”^۲۷. From an engineering point-of-view, things always have to work under limited resources. Some people may devote more cells, and branch more readily to specific tasks. How we age without becoming an overfit model is likely a global challenge.

۳.۳ خلاصه

به عنوان کتابی که ابتدا برای مهندسان برق و دانشمندان داده نوشته شده است، صحبت در مورد جنبه‌های مختلف رشد عصبی بیش از حد خواهد بود. حیوانات جوان شاید جایی باشند که اصطلاح سنتی “سیم‌کشی” مناسب باشد (اما نه در کرم‌ها یا خوکچه‌های هندی، که از قبل طرح کلی خود را دارند)، با سلول‌هایی که تقسیم می‌شوند، به مکان‌هایی حرکت می‌کنند و نشانه‌هایی را تشکیل می‌دهند، شاخه شاخه می‌شوند و ارتباطات خود را کشف می‌کنند. شاید این یکی از دلایلی باشد که روانپزشکان به تجربیات دوران کودکی افراد می‌پردازند. همانطور که دکتر سانتیاگو رامون ای کاخال گفته است، “شاخه‌بندی کامل یک نورون نشان دهنده تاریخچه گرافیکی درگیری‌هایی است که از زندگی جنینی آن متحمل شده است”^۲۷. از دیدگاه مهندسی، همه چیز همیشه باید تحت منابع محدود کار کند. برخی افراد ممکن است سلول‌های بیشتری را اختصاص دهند و راحت‌تر به وظایف خاص شاخه بزنند. اینکه چگونه بدون تبدیل شدن به یک مدل بیش از حد برازش، پیر می‌شویم، احتمالاً یک چالش جهانی است.

Questions

سوالات

۱. As scientists profile each type of cells in the brain of a model animal, how much variation do we expect to see among individuals of the same species?

۱. همانطور که دانشمندان هر نوع سلول را در مغز یک حیوان مدل بررسی می‌کنند، انتظار داریم چه میزان تنوع در بین افراد یک گونه مشاهده شود؟

۲. Together with information from the previous chapters, what do you think would be good initial parameters for neurons in a newborn? Would the answers be different in a bad year?

۲. به نظر شما، با توجه به اطلاعات فصل‌های قبل، پارامترهای اولیه خوب برای نورون‌ها در یک نوزاد تازه متولد شده چیست؟ آیا پاسخ‌ها در یک سال بد متفاوت خواهد بود؟

(Neuroscience for Artificial Intelligence
Huijue Jia) 

(علوم اعصاب برای هوش مصنوعی
هویجوئه جیا)