PART 1 Introducing the Nervous System

IN THIS PART…

» Discover what neurons are and what they do that allows 86 billion of them to make up a human brain.
» See the overall structure of the central nervous system from the cortex to the brain stem and spinal cord.
» Look at the details of neurons as electrical signaling devices that process inputs and secrete messenger molecules far away as their outputs.

بخش ۱: معرفی سیستم عصبی

در این بخش…

» کشف کنید که نورون‌ها چه هستند و چه کاری انجام می‌دهند که به ۸۶ میلیارد از آنها اجازه می‌دهد مغز انسان را تشکیل دهند.
» ساختار کلی سیستم عصبی مرکزی را از قشر مغز تا ساقه مغز و نخاع مشاهده کنید.
» به جزئیات نورون‌ها به عنوان دستگاه‌های سیگنالینگ الکتریکی نگاه کنید که ورودی‌ها را پردازش می‌کنند و مولکول‌های پیام‌رسان را به عنوان خروجی‌های خود به دوردست‌ها ترشح می‌کنند.

IN THIS CHAPTER:

» Understanding how the nervous system works
» Listing the basic functions of the nervous system
» Looking at types of neural dysfunction
» Peeking into neuroscience’s future contributions
» Following the evolution of the nervous system

در این فصل:

» درک چگونگی عملکرد سیستم عصبی
» فهرست کردن عملکردهای اساسی سیستم عصبی
» بررسی انواع اختلالات عصبی
» نگاهی به دستاوردهای آینده علوم اعصاب
» دنبال کردن تکامل سیستم عصبی

Chapter 1

A Quick Trip through the Nervous System

My brain: it’s my second favorite organ. WOODY ALLEN (SLEEPER, 1973)

فصل ۱

سفری سریع به سیستم عصبی

مغز من: این دومین عضو مورد علاقه من است. وودی آلن (خوابگرد، ۱۹۷۳)

The brain you are carrying around in your head is by far the most complicated structure known in the universe, and everything you are, have been, and will be arises from the activity of this three-pound collection of 100 billion neurons.

مغزی که شما در سرتان حمل می‌کنید، تاکنون پیچیده‌ترین ساختار شناخته شده در جهان بوده است و هر آنچه که شما هستید، بوده‌اید و خواهید بود، از فعالیت این مجموعه یک و نیم کیلویی از ۱۰۰ میلیارد نورون ناشی می‌شود.

Although this book is about neuroscience, the study of the nervous system, it’s mainly about the brain, where most of the nervous system action takes place. (The central nervous system consists of the brain, retina, and spinal cord.) If your brain functions well, you can live a long, happy, and productive life (barring some unfortunate circumstances, of course). If you have a brain disorder, you may struggle to overcome every detail of life, a battle that will take place within your brain. So read on for an introduction to the nervous system, how it works, what it does, and what can go wrong.

اگرچه این کتاب در مورد علوم اعصاب، مطالعه سیستم عصبی است، اما عمدتاً در مورد مغز است، جایی که بیشتر فعالیت‌های سیستم عصبی در آن انجام می‌شود. (سیستم عصبی مرکزی شامل مغز، شبکیه و نخاع است.) اگر مغز شما به خوبی کار کند، می‌توانید زندگی طولانی، شاد و پرباری داشته باشید (البته به جز برخی شرایط ناگوار). اگر اختلال مغزی دارید، ممکن است برای غلبه بر هر جزئیات زندگی تلاش کنید، نبردی که در مغز شما رخ خواهد داد. بنابراین برای آشنایی با سیستم عصبی، نحوه عملکرد آن، عملکرد آن و آنچه می‌تواند اشتباه پیش برود، ادامه مطلب را بخوانید.

Understanding the Evolution of the Nervous System

The earth formed 4.5 billion years ago. Evolutionary biologists believe that single- celled prokaryotic life (cells without a cell nucleus) appeared on earth less than one billion years after that. What’s remarkable about this date is that geophysicists believe this was the earliest point at which the planet had cooled enough to sus- tain life. In other words, life appeared almost the instant (in geological time) that it was possible.

درک تکامل سیستم عصبی

زمین ۴.۵ میلیارد سال پیش شکل گرفت. زیست‌شناسان تکاملی معتقدند که حیات تک‌سلولی پروکاریوتی (سلول‌های بدون هسته سلولی) کمتر از یک میلیارد سال پس از آن روی زمین ظاهر شد. نکته قابل توجه در مورد این تاریخ این است که ژئوفیزیکدانان معتقدند این اولین نقطه‌ای بود که سیاره به اندازه کافی سرد شد تا حیات را حفظ کند. به عبارت دیگر، حیات تقریباً در همان لحظه (در زمان زمین‌شناسی) که ممکن بود، ظاهر شد.

For unknown reasons, it took more than another billion years for eukaryotic life (cells with nuclei) to appear and another billion years for multicellular life to evolve from eukaryotic cells. The processes that lead to multicellular life all took place in the earth’s oceans. Finally, it took another billion years for humans to appear after plants and animals migrated to the land. Humans finally appeared less than a million years ago.

به دلایل ناشناخته، بیش از یک میلیارد سال دیگر طول کشید تا حیات یوکاریوتی (سلول‌های دارای هسته) ظاهر شود و یک میلیارد سال دیگر طول کشید تا حیات چندسلولی از سلول‌های یوکاریوتی تکامل یابد. فرآیندهایی که منجر به حیات چندسلولی می‌شوند، همگی در اقیانوس‌های زمین رخ دادند. در نهایت، یک میلیارد سال دیگر طول کشید تا انسان‌ها پس از مهاجرت گیاهان و حیوانات به خشکی ظاهر شوند. انسان‌ها سرانجام کمتر از یک میلیون سال پیش ظاهر شدند.

Specializing and communicating

In multicellular organisms, the environment of cells on the interior is different from the environment of the cells on the exterior. These different environments required the cells in these multicellular life forms to develop a way to specialize and communicate. Understanding this specialization is one of the keys to under- standing how the nervous system works.

تخصصی شدن و ارتباط برقرار کردن

در موجودات چند سلولی، محیط سلول‌های داخلی با محیط سلول‌های خارجی متفاوت است. این محیط‌های متفاوت، سلول‌های این اشکال حیات چند سلولی را ملزم به ایجاد راهی برای تخصصی شدن و ارتباط برقرار کردن کرد. درک این تخصصی شدن یکی از کلیدهای درک نحوه عملکرد سیستم عصبی است.

Imagine a ball of a few dozen cells in a primitive ocean billions of years ago. The cells on the inside of the ball might be able to carry out some digestive or other function more efficiently, but because they aren’t exposed to the seawater they don’t have any way to get the nutrients they need from the seawater, and they don’t have a way of ridding themselves of waste. To perform these tasks, they need the cooperation of the cells around them. Multicellular life allowed — in fact, mandated — that cells specialize and communicate. Eukaryotic cells specialized by regulating DNA expression differently for cells inside the ball of cells versus those on the outside. Meanwhile, some of the substances secreted by cells became signals to which other cells responded.

یک توپ از چند ده سلول را در یک اقیانوس اولیه میلیاردها سال پیش تصور کنید. سلول‌های داخل توپ ممکن است بتوانند برخی از عملکردهای گوارشی یا سایر عملکردها را با کارایی بیشتری انجام دهند، اما از آنجا که در معرض آب دریا نیستند، هیچ راهی برای دریافت مواد مغذی مورد نیاز خود از آب دریا ندارند و راهی برای خلاص شدن از شر مواد زائد خود ندارند. برای انجام این وظایف، آنها به همکاری سلول‌های اطراف خود نیاز دارند. زندگی چند سلولی به سلول‌ها اجازه – در واقع، اجباری – داد که تخصص پیدا کنند و ارتباط برقرار کنند. سلول‌های یوکاریوتی با تنظیم بیان DNA به طور متفاوت برای سلول‌های داخل توپ سلولی در مقابل سلول‌های خارجی، تخصصی شدند. در همین حال، برخی از مواد ترشح شده توسط سلول‌ها به سیگنال‌هایی تبدیل شدند که سلول‌های دیگر به آنها پاسخ دادند.

Moving hither, thither, and yon — in a coordinated way

Currents, tides, and waves in Earth’s ancient oceans moved organisms around whether they wanted to be moved or not. But organisms developed several mechanisms for having some control over their location. For example, organisms specialized for photosynthesis developed buoyancy mechanisms to keep them- selves in the upper layer of the ocean where the sunlight is. Some multicellular organisms evolved flagella for moving. But, in multicellular organisms, flagella must move in a coordinated way for efficient movement (picture a sculling team that has every member rowing at their own pace). Without some form of com- munication to synchronize their activity, the boat — the organism in this case — would go nowhere fast. The result? Networks of specialized cells with gap junctions between them evolved. These networks allowed rapid electrical signaling around ringlike neural nets that became specialized for synchronizing flagella on the out- side of the organism.

حرکت به اینجا، آنجا و آنجا – به صورت هماهنگ

جریان‌ها، جزر و مد و امواج در اقیانوس‌های باستانی زمین، موجودات زنده را چه بخواهند و چه نخواهند، به اطراف حرکت می‌دادند. اما موجودات زنده مکانیسم‌های مختلفی را برای کنترل موقعیت مکانی خود توسعه دادند. به عنوان مثال، موجودات زنده‌ای که برای فتوسنتز تخصص یافته‌اند، مکانیسم‌های شناوری را برای نگه داشتن خود در لایه بالایی اقیانوس، جایی که نور خورشید قرار دارد، توسعه دادند. برخی از موجودات چند سلولی، تاژک‌هایی را برای حرکت تکامل دادند. اما در موجودات چند سلولی، تاژک‌ها باید برای حرکت کارآمد به صورت هماهنگ حرکت کنند (یک تیم قایق‌رانی را تصور کنید که هر عضو با سرعت خود پارو می‌زند). بدون نوعی ارتباط برای هماهنگ کردن فعالیت آنها، قایق – در این مورد ارگانیسم – به سرعت به جایی نمی‌رسید. نتیجه؟ شبکه‌هایی از سلول‌های تخصصی با اتصالات شکاف‌دار بین آنها تکامل یافت. این شبکه‌ها امکان سیگنال‌دهی الکتریکی سریع در اطراف شبکه‌های عصبی حلقه‌مانند را فراهم کردند که برای هماهنگ‌سازی تاژک‌ها در خارج از ارگانیسم تخصصی شدند.

Evolving into complex animals

Balls of cells with nervous systems that had become capable of moving in a coor- dinated fashion in the oceans evolved into complex animals with sensory and other specialized neurons.

تکامل به حیوانات پیچیده

گوی‌های سلولی با سیستم‌های عصبی که قادر به حرکت هماهنگ در اقیانوس‌ها بودند، به حیوانات پیچیده‌ای با نورون‌های حسی و سایر نورون‌های تخصصی تکامل یافتند.

About half a billion years ago, invertebrates such as insects crawled onto the land to feast on the plants that had been growing there for millions of years. Later, some vertebrate lung fish ventured onto the land for brief periods when tidal pools and other shallow bodies of water dried up, forcing them to wriggle over to a larger pool. Some liked it so much they ended up staying on the land almost all the time and became amphibians, some of which later evolved into reptiles. Some of the reptiles gave rise to mammals, whose descendants are us.

حدود نیم میلیارد سال پیش، بی‌مهرگانی مانند حشرات برای تغذیه از گیاهانی که میلیون‌ها سال در آنجا رشد کرده بودند، به خشکی خزیدند. بعدها، برخی از ماهی‌های مهره‌دار شش‌دار برای مدت کوتاهی، زمانی که برکه‌های جزر و مدی و سایر پهنه‌های آبی کم‌عمق خشک می‌شدند و آنها را مجبور می‌کردند به سمت برکه‌ای بزرگتر بخزند، به خشکی آمدند. برخی آنقدر از این وضعیت خوششان آمد که تقریباً همیشه در خشکی ماندند و به دوزیستان تبدیل شدند که برخی از آنها بعداً به خزندگان تکامل یافتند. برخی از خزندگان باعث پیدایش پستانداران شدند که ما از نوادگان آنها هستیم.

Enter the neocortex

When you look at a human brain from the top or sides, almost everything you see is neocortex. It’s called “neo” because it is a relatively recent invention of mam- mals. Prior to mammals, animals like reptiles and birds had relatively small brains with very specialized areas for processing sensory information and controlling behavior.

ورود به نئوکورتکس

وقتی از بالا یا طرفین به مغز انسان نگاه می‌کنید، تقریباً هر چیزی که می‌بینید نئوکورتکس است. به آن «نئو» می‌گویند زیرا اختراع نسبتاً جدیدی از پستانداران است. قبل از پستانداران، حیواناتی مانند خزندگان و پرندگان مغزهای نسبتاً کوچکی با نواحی بسیار تخصصی برای پردازش اطلاعات حسی و کنترل رفتار داشتند.

What happened with the evolution of mammals is that a particular brain circuit expanded enormously to become an additional processing layer laid over the top of all the older brain areas for both sensory processing and motor control.

آنچه در تکامل پستانداران اتفاق افتاد این بود که یک مدار مغزی خاص به طرز چشمگیری گسترش یافت و به یک لایه پردازش اضافی تبدیل شد که روی تمام نواحی قدیمی‌تر مغز قرار گرفت و هم برای پردازش حسی و هم برای کنترل حرکتی عمل می‌کرد.

Neuroscientists are not exactly sure how and why the neocortex evolved. Birds and reptiles (and dinosaurs, for that matter) did pretty well with their small, special- ized brains before the massive expansion of the neocortex that occurred in mam- mals. However it happened, once mammals arrived, the neocortex enlarged tremendously, dwarfing the rest of the brain that had evolved earlier. This occurred despite the fact that large brains are expensive, metabolically. The human brain consumes about 20 percent of the body’s metabolism despite being only about 5 percent of body weight.

دانشمندان علوم اعصاب دقیقاً مطمئن نیستند که نئوکورتکس چگونه و چرا تکامل یافته است. پرندگان و خزندگان (و دایناسورها، در این مورد) قبل از گسترش عظیم نئوکورتکس که در پستانداران رخ داد، با مغزهای کوچک و تخصصی خود عملکرد بسیار خوبی داشتند. به هر حال، هنگامی که پستانداران از راه رسیدند، نئوکورتکس به طرز چشمگیری بزرگ شد و بقیه مغز را که قبلاً تکامل یافته بود، کوچک جلوه داد. این اتفاق علیرغم این واقعیت رخ داد که مغزهای بزرگ از نظر متابولیکی گران هستند. مغز انسان با وجود اینکه تنها حدود ۵ درصد از وزن بدن را تشکیل می‌دهد، حدود ۲۰ درصد از متابولیسم بدن را مصرف می‌کند.

Looking at How the Nervous System Works

Look at just about any picture of the brain, and you see immediately that it con- sists of a number of different regions. The brain does not appear to be an amor- phous mass of neural tissue that simply fills up the inside of the skull.

نگاهی به نحوه عملکرد سیستم عصبی

به تقریباً هر تصویری از مغز نگاه کنید، فوراً متوجه می‌شوید که از تعدادی ناحیه مختلف تشکیل شده است. مغز به نظر نمی‌رسد توده‌ای بی‌شکل از بافت عصبی باشد که به سادگی داخل جمجمه را پر کرده باشد.

Given the appearance of the brain, you can ask two very important and related questions:

» Do the different regions of the brain that look different really do different things?
» Do the regions that look the same do the same thing?

با توجه به ظاهر مغز، می‌توانید دو سوال بسیار مهم و مرتبط بپرسید:

» آیا نواحی مختلف مغز که متفاوت به نظر می‌رسند، واقعاً کارهای متفاوتی انجام می‌دهند؟
» آیا نواحی که یکسان به نظر می‌رسند، کار یکسانی انجام می‌دهند؟

The answer to both questions? Sort of. The next sections explain.

پاسخ هر دو سوال؟ تقریباً. بخش‌های بعدی توضیح می‌دهند.

FIELDS AND BUMPS: EARLY THEORIES ABOUT HOW THE BRAIN WORKS

The early history of neuroscience saw a number of brain function theories that have been shown to be incorrect. Two of the more interesting are phrenology and the aggregate field theories.

میدان‌ها و برآمدگی‌ها: نظریه‌های اولیه در مورد نحوه عملکرد مغز

تاریخ اولیه علوم اعصاب شاهد تعدادی از نظریه‌های عملکرد مغز بوده است که نادرستی آنها ثابت شده است. دو مورد از جالب‌ترین آنها، نظریه‌های جمجمه‌شناسی و میدان تجمعی هستند.

The aggregate field theories supposed that, for the most part, the brain is a single, large neuronal circuit whose capabilities are related mostly to its total size. These theories assumed that the brain’s internal structure is of little consequence in understanding its function.

نظریه‌های میدان تجمعی فرض می‌کردند که مغز، در بیشتر موارد، یک مدار نورونی واحد و بزرگ است که قابلیت‌های آن عمدتاً به اندازه کل آن مربوط می‌شود. این نظریه‌ها فرض می‌کردند که ساختار داخلی مغز اهمیت کمی در درک عملکرد آن دارد.

At the other extreme were the phrenologists, who believed that almost every human characteristic, including attributes such as cautiousness, courage, and hope, are located in specific parts of the brain. These folks believed that the development of these attri- butes can be determined by measuring the height of the skull over those areas (bumps), the presumption being that the underlying brain grows and pushes the skull upward for traits that are highly developed. You can read more about phrenology in Chapter 12.

در سوی دیگر طیف، جمجمه‌شناسان قرار داشتند که معتقد بودند تقریباً هر ویژگی انسانی، از جمله ویژگی‌هایی مانند احتیاط، شجاعت و امید، در قسمت‌های خاصی از مغز قرار دارد. این افراد معتقد بودند که رشد این ویژگی‌ها را می‌توان با اندازه‌گیری ارتفاع جمجمه روی آن نواحی (برآمدگی‌ها) تعیین کرد، با این فرض که مغز زیرین رشد می‌کند و جمجمه را برای ویژگی‌هایی که بسیار توسعه‌یافته هستند، به سمت بالا هل می‌دهد. می‌توانید اطلاعات بیشتر در مورد جمجمه‌شناسی را در فصل ۱۲ بخوانید.

The important role of neurons

The nervous system, explained in detail in Chapter 2, consists of the central ner- vous system (the brain, retina, and spinal cord), the peripheral nervous system (the sensory and motor nerve axons that connect the central nervous system to the limbs and organs). The peripheral nervous system also includes the autonomic nervous system (which regulates body processes such as digestion and heart rate), and the enteric nervous system, which controls the gastrointestinal system.

نقش مهم نورون‌ها

سیستم عصبی، که در فصل ۲ به تفصیل توضیح داده شده است، شامل سیستم عصبی مرکزی (مغز، شبکیه و نخاع)، سیستم عصبی محیطی (آکسون‌های عصبی حسی و حرکتی که سیستم عصبی مرکزی را به اندام‌ها و اندام‌ها متصل می‌کنند) است. سیستم عصبی محیطی همچنین شامل سیستم عصبی خودکار (که فرآیندهای بدن مانند هضم و ضربان قلب را تنظیم می‌کند) و سیستم عصبی روده‌ای است که سیستم گوارش را کنترل می‌کند.

All the divisions of the nervous system are based universally on the functions of neurons. Neurons are specialized cells that process information. Like all cells, they are unbelievably complicated in their own right. All nervous systems in all animal species have four basic types of functional cells:

تمام تقسیم‌بندی‌های سیستم عصبی به طور کلی بر اساس عملکرد نورون‌ها است. نورون‌ها سلول‌های تخصصی هستند که اطلاعات را پردازش می‌کنند. مانند همه سلول‌ها، آنها به خودی خود به طرز باورنکردنی پیچیده هستند. همه سیستم‌های عصبی در همه گونه‌های جانوری دارای چهار نوع سلول عملکردی اساسی هستند:

» Sensory neurons: These neurons tell the rest of the brain about the external and internal environment.

» نورون‌های حسی: این نورون‌ها به بقیه مغز در مورد محیط خارجی و داخلی اطلاع می‌دهند.

» Motor (and other output) neurons: Motor neurons contract muscles and mediate behavior, and other output neurons stimulate glands and organs.

» نورون‌های حرکتی (و سایر خروجی‌ها): نورون‌های حرکتی عضلات را منقبض می‌کنند و واسطه رفتار هستند و سایر نورون‌های خروجی غدد و اندام‌ها را تحریک می‌کنند.

» Projection neurons: Communication neurons transmit signals from one brain area to another.

» نورون‌های پروجکشن: نورون‌های ارتباطی سیگنال‌ها را از یک ناحیه مغز به ناحیه دیگر منتقل می‌کنند.

» Interneurons: The vast majority of neurons in vertebrates are interneuronsinvolved in local computations. Computational interneurons extract and process information coming in from the senses, compare that information to what’s in memory, and use the information to plan and execute behavior.Each of the several hundred distinguishable brain regions contains several dozen distinct types or classes of computational interneurons that mediate the function of that brain area.

» نورون‌های رابط: اکثریت قریب به اتفاق نورون‌ها در مهره‌داران، نورون‌های رابط هستند که در محاسبات محلی دخیل هستند. نورون‌های رابط محاسباتی، اطلاعات دریافتی از حواس را استخراج و پردازش می‌کنند، آن اطلاعات را با آنچه در حافظه است مقایسه می‌کنند و از اطلاعات برای برنامه‌ریزی و اجرای رفتار استفاده می‌کنند. هر یک از چند صد ناحیه قابل تشخیص مغز شامل ده‌ها نوع یا دسته متمایز از نورون‌های رابط محاسباتی است که عملکرد آن ناحیه مغز را میانجی‌گری می‌کنند.

What really distinguishes the nervous system from any other functioning group of cells is the complexity of the neuronal interconnections. The human brain has on the order of 86 billion neurons, each with a unique set of about 10,000 synaptic inputs from other neurons, yielding about a quadrillion synapses — a number even larger than the U.S. national debt in pennies! The number of possible distinct states of this system is virtually uncountable.

آنچه واقعاً سیستم عصبی را از هر گروه سلولی فعال دیگری متمایز می‌کند، پیچیدگی ارتباطات عصبی است. مغز انسان حدود ۸۶ میلیارد نورون دارد که هر کدام مجموعه‌ای منحصر به فرد از حدود ۱۰،۰۰۰ ورودی سیناپسی از سایر نورون‌ها دارند و حدود یک کادریلیون سیناپس را به دست می‌دهند – عددی حتی بزرگتر از بدهی ملی ایالات متحده به پنی! تعداد حالت‌های متمایز ممکن برای این سیستم عملاً غیرقابل شمارش است.

You can read a detailed discussion on neurons and how they work in Chapter 3.

می‌توانید بحث مفصلی در مورد نورون‌ها و نحوه‌ی عملکرد آنها را در فصل ۳ مطالعه کنید.

Computing in circuits, segments, and modules

The largest part of the brain, which is what you actually see when you look at a brain from above or the side, is the neocortex. The neocortex is really a 1.5 square sheet of cells wadded up a bit to fit inside the head. The neurons in the neo- cortex are organized in complex neural circuits that are repeated millions of times across the cortical surface. The repeated neural circuits are called minicolumns.

محاسبات در مدارها، بخش‌ها و ماژول‌ها

بزرگترین بخش مغز، که در واقع همان چیزی است که وقتی از بالا یا پهلو به مغز نگاه می‌کنید، می‌بینید، نئوکورتکس است. نئوکورتکس در واقع یک صفحه ۱.۵ مربعی از سلول‌ها است که کمی فشرده شده‌اند تا درون سر جا بگیرند. نورون‌های نئوکورتکس در مدارهای عصبی پیچیده‌ای سازماندهی شده‌اند که میلیون‌ها بار در سطح قشر مغز تکرار می‌شوند. مدارهای عصبی تکرار شده، مینی‌ستون‌ها نامیده می‌شوند.

The brain contains many specialized areas associated with particular senses (vision versus audition, for example) and other areas mediating particular motor outputs (like moving the leg versus the tongue). The function of different brain areas depends not on any particular structure of the minicolumns within it, but its inputs and outputs.

مغز شامل بسیاری از نواحی تخصصی مرتبط با حواس خاص (مثلاً بینایی در مقابل شنوایی) و سایر نواحی است که خروجی‌های حرکتی خاصی را هدایت می‌کنند (مانند حرکت پا در مقابل زبان). عملکرد نواحی مختلف مغز نه به ساختار خاصی از ستون‌های کوچک درون آن، بلکه به ورودی‌ها و خروجی‌های آن بستگی دارد.

So, even though the cell types and circuits in the auditory cortex are similar to those in the visual and motor cortices, the auditory cortex is the auditory cortex because it receives inputs from the cochlea (a part of the ear) and because it sends output to areas associated with processing auditory information, using it to guide behavior.

بنابراین، اگرچه انواع سلول‌ها و مدارهای موجود در قشر شنوایی مشابه با سلول‌های قشر بینایی و حرکتی هستند، قشر شنوایی، قشر شنوایی است زیرا ورودی‌هایی را از حلزون گوش (بخشی از گوش) دریافت می‌کند و خروجی‌هایی را به نواحی مرتبط با پردازش اطلاعات شنوایی می‌فرستد و از آن برای هدایت رفتار استفاده می‌کند.

Many other parts of the nervous system also are made up of repeated circuits or circuit modules, although these are different in different parts of the brain:

بسیاری از بخش‌های دیگر سیستم عصبی نیز از مدارهای تکراری یا ماژول‌های مدار تشکیل شده‌اند، اگرچه این مدارها در بخش‌های مختلف مغز متفاوت هستند:

» The spinal cord consists of very similar segments (cervical, thoracic, lumbar, and so on), whose structure is repeated from the border of the medulla at the top of the spinal cord to the coccygeal segments at the bottom.

» نخاع از بخش‌های بسیار مشابهی (گردنی، سینه‌ای، کمری و غیره) تشکیل شده است که ساختار آنها از مرز بصل النخاع در بالای نخاع تا بخش‌های دنبالچه‌ای در پایین تکرار می‌شود.

» The cerebellum, a prominent brain structure at the back of the brain below the neocortex, is involved in fine-tuning motor sequences and motor learning. Within the cerebellum are repeated neural circuits forming modules that deal with motor planning, motor execution, and balance.

» مخچه، یک ساختار برجسته مغزی در پشت مغز و زیر قشر مخ، در تنظیم دقیق توالی‌های حرکتی و یادگیری حرکتی نقش دارد. در داخل مخچه، مدارهای عصبی مکرری وجود دارند که ماژول‌هایی را تشکیل می‌دهند که با برنامه‌ریزی حرکتی، اجرای حرکتی و تعادل سروکار دارند.

All the modules that make up the central nervous system are extensively inter- connected. If you were to take a section through about any part of the brain, you’d see that the brain has more white matter, or pale-appearing axon tracts (the neural “wires” that connect neurons to each other) than darker gray matter (neural cell bodies and dendrites, which receive inputs from other neurons and do the neural computations). Here’s why: The brain uses local interconnections between neu- rons to do computations in neural circuits. However, any single neuron contacts only a fraction of the other neurons in the brain. To get to other brain modules for other computations, the results of these computations must be sent over long distance projections via axon tracts of communication neurons.

تمام ماژول‌هایی که سیستم عصبی مرکزی را تشکیل می‌دهند، به طور گسترده‌ای به هم پیوسته‌اند. اگر قرار بود تقریباً هر بخشی از مغز را بررسی کنید، متوجه می‌شدید که مغز ماده سفید یا مسیرهای آکسونی کم‌رنگ‌تری (“سیم‌های” عصبی که نورون‌ها را به یکدیگر متصل می‌کنند) نسبت به ماده خاکستری تیره‌تر (جسم سلول‌های عصبی و دندریت‌ها که ورودی‌ها را از سایر نورون‌ها دریافت می‌کنند و محاسبات عصبی را انجام می‌دهند) دارد. دلیلش این است: مغز از ارتباطات محلی بین نورون‌ها برای انجام محاسبات در مدارهای عصبی استفاده می‌کند. با این حال، هر نورون تنها با کسری از نورون‌های دیگر در مغز تماس دارد. برای رسیدن به سایر ماژول‌های مغز برای محاسبات دیگر، نتایج این محاسبات باید از طریق مسیرهای آکسون نورون‌های ارتباطی به مسافت‌های طولانی ارسال شوند.

What a charge: The role of electricity

Most neurons are cells specialized for computation and communication. They have two kinds of branches: dendrites (which normally receive inputs from other neurons) and axons (which are the neuron’s output to other neurons or other tar- gets, like the muscles) emanating from their cell bodies.

چه اتهامی: نقش الکتریسیته

بیشتر نورون‌ها سلول‌هایی هستند که برای محاسبه و ارتباط تخصص یافته‌اند. آن‌ها دو نوع شاخه دارند: دندریت‌ها (که معمولاً ورودی‌ها را از نورون‌های دیگر دریافت می‌کنند) و آکسون‌ها (که خروجی نورون به نورون‌های دیگر یا اهداف دیگر، مانند عضلات هستند) که از جسم سلولی آن‌ها سرچشمه می‌گیرند.

Neuronal dendrites may be hundreds of micrometers in length, and neural axons may extend a meter (for example, axons run from single cells in the primary motor cortex in your brain down to the base of your spinal cord).

دندریت‌های نورونی ممکن است صدها میکرومتر طول داشته باشند و آکسون‌های عصبی ممکن است تا یک متر امتداد داشته باشند (برای مثال، آکسون‌ها از سلول‌های منفرد در قشر حرکتی اولیه در مغز شما تا پایه نخاع شما امتداد دارند).

Neurons use electricity to communicate between different parts of the neuron. The basic idea is that synaptic inputs spread out all over the dendrites cause cur- rents to flow from the dendrites into the cell body. The cell body converts this changing electrical current into a set of pulses (spikes) sent down its axon to other neurons. To find out more about how neurons communicate in general, head to Chapter 3. The chapters in Part 2 explain the specific details for each of the sen- sory systems.

نورون‌ها از الکتریسیته برای ارتباط بین بخش‌های مختلف نورون استفاده می‌کنند. ایده اصلی این است که ورودی‌های سیناپسی که در سراسر دندریت‌ها پخش شده‌اند، باعث می‌شوند جریان‌هایی از دندریت‌ها به جسم سلولی جریان یابند. جسم سلولی این جریان الکتریکی متغیر را به مجموعه‌ای از پالس‌ها (تپش‌ها) تبدیل می‌کند که آکسون آن را به سایر نورون‌ها ارسال می‌کند. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد نحوه ارتباط نورون‌ها به طور کلی، به فصل ۳ مراجعه کنید. فصل‌های بخش ۲ جزئیات خاص هر یک از سیستم‌های حسی را توضیح می‌دهند.

Understanding the nervous system’s modular organization

The nervous system has an overall modular organization. Neurons participate in local circuits consisting of several hundred neurons consisting of different types. These local circuits perform neural computations on inputs to the circuit and send the results to other circuits as outputs via projection (communication) neurons.

درک سازماندهی مدولار سیستم عصبی

سیستم عصبی دارای یک سازمان کلی ماژولار است. نورون‌ها در مدارهای محلی متشکل از چند صد نورون از انواع مختلف شرکت می‌کنند. این مدارهای محلی محاسبات عصبی را روی ورودی‌های مدار انجام می‌دهند و نتایج را از طریق نورون‌های ارتباطی به عنوان خروجی به مدارهای دیگر ارسال می‌کنند.

Local circuits form modules that perform certain functions, like seeing vertical lines, hearing 10,000 Hz tones, causing a particular finger muscle to contract, or causing the heart to beat faster. Groups of similar modules form major brain regions, of which there are several hundred, give or take. Modules in the brain, spinal cord, peripheral nervous system, and autonomic nervous system all work together to maintain your survival by regulating your internal environment and managing your interaction with the external environment.

مدارهای محلی ماژول‌هایی را تشکیل می‌دهند که عملکردهای خاصی را انجام می‌دهند، مانند دیدن خطوط عمودی، شنیدن صداهای ۱۰۰۰۰ هرتز، ایجاد انقباض در یک عضله خاص انگشت یا افزایش سرعت ضربان قلب. گروه‌هایی از ماژول‌های مشابه، مناطق اصلی مغز را تشکیل می‌دهند که به طور تقریبی چند صد مورد از آنها وجود دارد. ماژول‌های موجود در مغز، نخاع، سیستم عصبی محیطی و سیستم عصبی خودکار، همگی با هم کار می‌کنند تا با تنظیم محیط داخلی و مدیریت تعامل شما با محیط خارجی، بقای شما را حفظ کنند.

Of course, humans use their nervous systems to do more than just survive. We have feelings and memories and curiosity and spiritual yearnings. We are capable of language, self-reflection, technology, and curiosity about their place in the universe.

البته، انسان‌ها از سیستم عصبی خود برای انجام کارهایی بیش از صرفاً زنده ماندن استفاده می‌کنند. ما احساسات، خاطرات، کنجکاوی و آرزوهای معنوی داریم. ما قادر به زبان، خوداندیشی، فناوری و کنجکاوی در مورد جایگاه خود در جهان هستیم.

Looking at the Basic Functions of the Nervous System

Animals have nervous systems, but plants don’t. The question is why not? Both plants and animals are multicellular, and many plants, such as trees, are far larger than the largest animals.

نگاهی به کارکردهای اساسی سیستم عصبی

حیوانات سیستم عصبی دارند، اما گیاهان ندارند. سوال این است که چرا ندارند؟ هم گیاهان و هم حیوانات چند سلولی هستند و بسیاری از گیاهان، مانند درختان، بسیار بزرگتر از بزرگترین حیوانات هستند.

EAT YOUR BRAIN OUT, YOU (SEA) SQUIRT!

Sea squirts are filter feeders (they filter nutrients out of ocean water) that live on the ocean floor. What’s interesting about these organisms is that during development they have a mobile, larval form with a cerebral ganglion that controls swimming, but the adult form is sessile (anchored, like a plant).

مغزتو بخور، ای (دریا) آب‌پاش!

آب‌پاش‌های دریایی، موجوداتی هستند که از آب اقیانوس تغذیه می‌کنند (مواد مغذی را فیلتر می‌کنند) و در کف اقیانوس زندگی می‌کنند. نکته جالب در مورد این موجودات این است که در طول رشد، آنها یک شکل لاروی متحرک با یک گانگلیون مغزی دارند که شنا را کنترل می‌کند، اما شکل بالغ آنها بی‌حرکت (مانند یک گیاه، لنگر انداخته) است.

During metamorphosis to its adult form, the sea squirt digests this central ganglion and thus “eats its own brain,” because, as a plant form, it no longer needs it.

در طول دگردیسی به شکل بالغ، آب‌پاش دریایی این گانگلیون مرکزی را هضم می‌کند و بنابراین “مغز خود را می‌خورد”، زیرا به عنوان یک شکل گیاهی، دیگر به آن نیازی ندارد.

The key difference, of course, is movement. All animals move, but almost no plants do. (Venus Flytraps have a bi-petal leaf that snaps shut on insects, but we won’t count that.) Nervous systems enable movement, and movement is what separates plants and animals.

البته تفاوت کلیدی، حرکت است. همه حیوانات حرکت می‌کنند، اما تقریباً هیچ گیاهی حرکت نمی‌کند. (ونوس مگس‌خوار یک برگ دو گلبرگی دارد که روی حشرات می‌چسبد، اما ما آن را در نظر نمی‌گیریم.) سیستم‌های عصبی حرکت را ممکن می‌سازند و حرکت چیزی است که گیاهان و حیوانات را از هم جدا می‌کند.

Sensing the world around you

Sensory neurons detect energy and substances from inside and outside our bodies. Energy detectors include photoreceptors in the eye that detect light (Chapter 5), auditory hair cells in the cochlea that detect sound (Chapter 6), and mechanore- ceptors in the skin that detect pressure and vibration (Chapter 4). Sensory cells that detect molecules include olfactory neurons in the nose and taste buds in the tongue (Chapter 7).

حس کردن دنیای اطرافتان

نورون‌های حسی، انرژی و مواد را از داخل و خارج بدن ما تشخیص می‌دهند. آشکارسازهای انرژی شامل گیرنده‌های نوری در چشم هستند که نور را تشخیص می‌دهند (فصل 5)، سلول‌های مویی شنوایی در حلزون گوش که صدا را تشخیص می‌دهند (فصل 6) و گیرنده‌های مکانیکی در پوست که فشار و ارتعاش را تشخیص می‌دهند (فصل 4). سلول‌های حسی که مولکول‌ها را تشخیص می‌دهند شامل نورون‌های بویایی در بینی و جوانه‌های چشایی در زبان هستند (فصل 7).

We also have detectors inside our bodies that detect body temperature, CO₂ levels, blood pressure, and other indications of body function. The central and autonomic nervous systems (discussed in Chapter 11) use the outputs of these internal sen- sors to regulate body function and keep it in an acceptable range (homeostasis). This typically occurs without our conscious awareness.

ما همچنین آشکارسازهایی در داخل بدن خود داریم که دمای بدن، سطح CO2، فشار خون و سایر نشانه‌های عملکرد بدن را تشخیص می‌دهند. سیستم‌های عصبی مرکزی و خودمختار (که در فصل 11 مورد بحث قرار گرفته‌اند) از خروجی‌های این حسگرهای داخلی برای تنظیم عملکرد بدن و حفظ آن در محدوده قابل قبول (هموستاز) استفاده می‌کنند. این امر معمولاً بدون آگاهی آگاهانه ما اتفاق می‌افتد.

Sensory neurons are the most specialized of all neurons because they have unique mechanisms for responding to a particular type of energy or detecting a particular substance (as in smell and taste receptors). For example, some animals can directly sense the earth’s magnetic field. They do this because they have cells that have deposited little crystals of magnetite in their cytoplasm that react to the magnetic field force of the earth to generate an electrical signal in the cell. This electrical signal is then communicated to other cells in the animal’s nervous system for navigation.

نورون‌های حسی تخصصی‌ترین نورون‌ها هستند زیرا مکانیسم‌های منحصر به فردی برای پاسخ به نوع خاصی از انرژی یا تشخیص یک ماده خاص (مانند گیرنده‌های بو و طعم) دارند. به عنوان مثال، برخی از حیوانات می‌توانند مستقیماً میدان مغناطیسی زمین را حس کنند. آنها این کار را انجام می‌دهند زیرا سلول‌هایی دارند که کریستال‌های کوچکی از مگنتیت را در سیتوپلاسم خود رسوب داده‌اند که به نیروی میدان مغناطیسی زمین واکنش نشان می‌دهند تا یک سیگنال الکتریکی در سلول تولید کنند. این سیگنال الکتریکی سپس برای جهت‌یابی به سلول‌های دیگر در سیستم عصبی حیوان منتقل می‌شود.

Moving with motor neurons

Most neurons are computation interneurons that receive inputs from other neurons and have outputs to other neurons. However, some neurons, like those listed in the preceding section, are different:

حرکت با نورون‌های حرکتی

بیشتر نورون‌ها، نورون‌های رابط محاسباتی هستند که ورودی‌ها را از نورون‌های دیگر دریافت می‌کنند و خروجی‌هایی به نورون‌های دیگر دارند. با این حال، برخی نورون‌ها، مانند نورون‌های ذکر شده در بخش قبل، متفاوت هستند:

» Some neurons are specialized for sensation. The input for these neurons comes from the world, not other neurons.

» برخی از نورون‌ها برای حس کردن تخصص یافته‌اند. ورودی این نورون‌ها از جهان خارج می‌آید، نه از نورون‌های دیگر.

» Some neurons send their output to muscles, glands, or organs instead ofother neurons. In this way, they spur action, which can be anything from secreting a particular hormone to regulate a bodily process to darting out the front door and across the lawn when you hear the ice-cream truck.

» برخی از نورون‌ها خروجی خود را به جای نورون‌های دیگر به عضلات، غدد یا اندام‌ها می‌فرستند. به این ترتیب، آنها باعث ایجاد عمل می‌شوند، که می‌تواند هر چیزی باشد، از ترشح یک هورمون خاص برای تنظیم یک فرآیند بدنی گرفته تا بیرون رفتن سریع از در ورودی و عبور از چمن هنگام شنیدن صدای کامیون بستنی.

Our bodies execute two very different types of movement. Voluntary movement, which is what most people normally think of as movement, is controlled by the central nervous system whose motor neurons innervate striated muscles (these same muscles and neurons are involved in reflexes, too). We also have smooth muscles controlled by neurons in the autonomic nervous system, such as in the digestive system or those that control the pupil of the eye. Movement is such an important topic in neuroscience that I devote all of Part 3 to it.

بدن ما دو نوع حرکت بسیار متفاوت را انجام می‌دهد. حرکت ارادی، که چیزی است که اکثر مردم معمولاً آن را حرکت می‌دانند، توسط سیستم عصبی مرکزی کنترل می‌شود که نورون‌های حرکتی آن عضلات مخطط را عصب‌دهی می‌کنند (همین عضلات و نورون‌ها در رفلکس‌ها نیز دخیل هستند). ما همچنین عضلات صافی داریم که توسط نورون‌های سیستم عصبی خودکار کنترل می‌شوند، مانند سیستم گوارش یا آنهایی که مردمک چشم را کنترل می‌کنند. حرکت موضوع بسیار مهمی در علوم اعصاب است که من تمام بخش ۳ را به آن اختصاص می‌دهم.

Deciding and doing

Central nervous systems are complex in mammals because large areas of the neo- cortex conduct motor control, sensory processing, and, for lack of a better term, what goes on in between sensory input and motor output. Devoting a large amount of brain tissue to motor control allows sophisticated and complex movement pat- terns. Large brain areas processing sensory inputs can allow you to recognize complex patterns in those inputs.

تصمیم گیری و انجام

سیستم‌های عصبی مرکزی در پستانداران پیچیده هستند زیرا نواحی بزرگی از نئوکورتکس، کنترل حرکتی، پردازش حسی و به دلیل نبود اصطلاح بهتر، آنچه بین ورودی حسی و خروجی حرکتی اتفاق می‌افتد را انجام می‌دهند. اختصاص مقدار زیادی از بافت مغز به کنترل حرکتی، الگوهای حرکتی پیچیده و پیچیده را ممکن می‌سازد. نواحی بزرگ مغز که ورودی‌های حسی را پردازش می‌کنند، می‌توانند به شما امکان دهند الگوهای پیچیده‌ای را در آن ورودی‌ها تشخیص دهید.

Brain areas not devoted directly to controlling movement or processing sensory input have traditionally been called association cortex. Although lumping all non- sensory, non-motor cortex together under this term is not very accurate, it is clear that association cortex allows very complex contingencies to exist between what is currently being received by the senses and what behavior occurs as a result. In other words, a large neocortex allows a lot of deciding to go on about what it is you will be doing.

مناطقی از مغز که مستقیماً به کنترل حرکت یا پردازش ورودی حسی اختصاص ندارند، به طور سنتی قشر ارتباطی نامیده می‌شوند. اگرچه قرار دادن همه قشرهای غیرحسی و غیرحرکتی در کنار هم تحت این اصطلاح خیلی دقیق نیست، اما واضح است که قشر ارتباطی اجازه می‌دهد تا احتمالات بسیار پیچیده‌ای بین آنچه در حال حاضر توسط حواس دریافت می‌شود و رفتاری که در نتیجه رخ می‌دهد، وجود داشته باشد. به عبارت دیگر، یک نئوکورتکس بزرگ به شما امکان می‌دهد تا در مورد آنچه انجام خواهید داد، تصمیم‌گیری‌های زیادی انجام دهید.

Among mammalian species, those that we tend to think of as the most intelligent, such as primates, cetaceans, and perhaps elephants, have the largest neocortices. It’s not just the neocortex that impacts intelligence; it’s the size of the frontal lobe in particular. The most intelligent among the animals just listed (primates) have the largest frontal lobes relative to the rest of the neocortex.

در میان گونه‌های پستانداران، آن‌هایی که ما معمولاً آن‌ها را باهوش‌ترین می‌دانیم، مانند نخستی‌ها، آب‌بازسانان و شاید فیل‌ها، بزرگترین نئوکورتکس‌ها را دارند. فقط نئوکورتکس نیست که بر هوش تأثیر می‌گذارد؛ به طور خاص، اندازه لوب پیشانی است. باهوش‌ترین حیواناتی که در این فهرست ذکر شده‌اند (نخستی‌ها) بزرگترین لوب‌های پیشانی را نسبت به بقیه نئوکورتکس دارند.

The most anterior (meaning, toward the front) part of the frontal lobe is called the prefrontal cortex. This area is highly expanded in primates and particularly in humans. The prefrontal cortex is responsible for the most abstract level of goal planning.

قدامی‌ترین (به معنی رو به جلو) قسمت لوب پیشانی، قشر پیش‌پیشانی نامیده می‌شود. این ناحیه در نخستی‌ها و به ویژه در انسان‌ها بسیار گسترش یافته است. قشر پیش‌پیشانی مسئول انتزاعی‌ترین سطح برنامه‌ریزی هدف است.

If you don’t have large frontal lobes (or the axons therein are not yet myelinated, as with teenagers), your behavior tends to be dominated by your current needs and what is currently going on in the world around you. If you’re a lizard, you’re either hungry or cold or hot or seeking a mate or in danger of being caught by a predator. You have a number of behavioral repertoires, and your brain selects among them. For example, you may be seeking a mate, in which case you’re fol- lowing the looking-for-love motor program, when you spot a hawk circling over- head, at which point you switch to the avoiding-hawks motor program and seek a rock to crawl under.

اگر لوب‌های پیشانی بزرگی ندارید (یا آکسون‌های آن هنوز میلین‌دار نشده‌اند، مانند نوجوانان)، رفتار شما معمولاً تحت سلطه نیازهای فعلی شما و آنچه در حال حاضر در دنیای اطرافتان می‌گذرد، قرار می‌گیرد. اگر مارمولک هستید، یا گرسنه‌اید یا سردتان است یا گرمتان است یا به دنبال جفت می‌گردید یا در خطر گرفتار شدن توسط یک شکارچی هستید. شما تعدادی مجموعه رفتاری دارید و مغز شما از بین آنها انتخاب می‌کند. به عنوان مثال، ممکن است به دنبال یک جفت باشید، در این صورت شما از برنامه حرکتی جستجوی عشق پیروی می‌کنید، وقتی یک شاهین را در حال چرخش بالای سر خود می‌بینید، در آن مرحله به برنامه حرکتی اجتناب از شاهین تغییر می‌دهید و به دنبال سنگی برای خزیدن زیر آن می‌گردید.

Mammals, with their frontal lobes, have the capacity to plan complex, multistep action sequences. They can avoid hawks and still remember where the potential mate was and return to mate pursuit after the hawk leaves. Mammals can interact in large social groups in which their relationship to every other member is indi- vidualized, not just based on who’s bigger or smaller or receptive to sexual advances at the moment.

پستانداران، با لوب‌های پیشانی خود، توانایی برنامه‌ریزی توالی‌های عملی پیچیده و چند مرحله‌ای را دارند. آنها می‌توانند از شاهین‌ها دوری کنند و همچنان به یاد داشته باشند که جفت بالقوه کجا بوده است و پس از رفتن شاهین، به دنبال جفت می‌گردند. پستانداران می‌توانند در گروه‌های اجتماعی بزرگی تعامل داشته باشند که در آن رابطه‌شان با هر عضو دیگر فردیت‌یافته است، نه فقط بر اساس اینکه چه کسی در حال حاضر بزرگتر یا کوچکتر است یا پذیرای پیشنهادهای جنسی است.

Processing thoughts: Using intelligence and memory

When thinking about intelligence, we typically think about the differences between humans and animals, although some animal behavior is certainly acknowledged as being intelligent. Two attributes — our capability for language and our episodic memory — are associated with human intelligence. The following sections give a very brief outline of key points related to memory, language, and intelligence. For a complete discussion of the hierarchy of intelligence — and the key discoveries and remaining conundrums — head to Chapters 12 through 15.

پردازش افکار: استفاده از هوش و حافظه

وقتی در مورد هوش فکر می‌کنیم، معمولاً به تفاوت‌های بین انسان و حیوانات فکر می‌کنیم، اگرچه برخی از رفتارهای حیوانات قطعاً به عنوان رفتارهای هوشمندانه شناخته می‌شوند. دو ویژگی – توانایی ما برای زبان و حافظه اپیزودیک ما – با هوش انسان مرتبط هستند. بخش‌های بعدی خلاصه‌ای بسیار مختصر از نکات کلیدی مربوط به حافظه، زبان و هوش ارائه می‌دهند. برای بحث کامل در مورد سلسله مراتب هوش – و اکتشافات کلیدی و معماهای باقی مانده – به فصل‌های ۱۲ تا ۱۵ مراجعه کنید.

Language

One attribute associated with human intelligence is language, which, when defined as the use of sign sequences within a complex grammar, appears to be uniquely human. What’s interesting about language — at least from a neuroscientist’s perspective — is that it resides primarily on only one side of the brain (the left side in most right-handers).

زبان

یکی از ویژگی‌های مرتبط با هوش انسانی، زبان است که وقتی به عنوان استفاده از توالی‌های علامت در یک دستور زبان پیچیده تعریف می‌شود، به نظر می‌رسد منحصر به فرد انسان است. نکته جالب در مورد زبان – حداقل از دیدگاه یک دانشمند علوم اعصاب – این است که در درجه اول فقط در یک طرف مغز (سمت چپ در اکثر راست دست‌ها) قرار دارد.

What makes it mind-boggling is that the two sides of a human brain appear nearly identical in both large- and small-scale organization. In other words, there appearsbe no significant physical difference between the two halves. Neuroscientists know of no circuit or structure or cell unique to the left side of the brain that would explain its language capacity compared to the lack of it on the right side. Yet, as seen in patients whose left and right brain halves have been disconnected for med- ical reasons, the left side is capable of carrying on a conversation about recent experience, but the right side is not.

آنچه آن را شگفت‌انگیز می‌کند این است که دو طرف مغز انسان در سازماندهی در مقیاس بزرگ و کوچک تقریباً یکسان به نظر می‌رسند. به عبارت دیگر، به نظر می‌رسد هیچ تفاوت فیزیکی قابل توجهی بین دو نیمه وجود ندارد. دانشمندان علوم اعصاب هیچ مدار یا ساختار یا سلولی منحصر به فرد برای سمت چپ مغز نمی‌شناسند که ظرفیت زبانی آن را در مقایسه با فقدان آن در سمت راست توضیح دهد. با این حال، همانطور که در بیمارانی که نیمه‌های چپ و راست مغز آنها به دلایل پزشکی از هم جدا شده‌اند، مشاهده می‌شود، سمت چپ قادر به گفتگو در مورد تجربیات اخیر است، اما سمت راست اینطور نیست.

Episodic memory

Another, less appreciated distinction between human and animal intelligence is human’s capacity for episodic memory. Episodic memory is the memory of a par- ticular event and its context in time. It can be contrasted with semantic memory, a kind of associative memory involving the general knowledge of facts or associa- tions. It’s the difference between knowing when you learned the capital of Alabama was Montgomery (episodic) versus knowing the fact that the capital of Alabama is Montgomery (semantic).

حافظه اپیزودیک

یکی دیگر از تمایزات کمتر شناخته شده بین هوش انسان و حیوان، ظرفیت انسان برای حافظه اپیزودیک است. حافظه اپیزودیک، حافظه یک رویداد خاص و زمینه زمانی آن است. می‌توان آن را با حافظه معنایی، نوعی حافظه تداعی‌گر که شامل دانش عمومی از حقایق یا تداعی‌ها است، مقایسه کرد. این تفاوت بین دانستن اینکه چه زمانی یاد گرفتید پایتخت آلاباما مونتگومری بود (اپیزودیک) در مقابل دانستن این واقعیت است که پایتخت آلاباما مونتگومری است (معنایی).

Even primitive animals can form associative memories, such as in classical or operant conditioning (does the name Pavlov ring a bell?), but there is virtually no accepted evidence that animals other than humans have episodic memories, which depend on the operation of working memory in prefrontal cortex. The fact that your dog has learned what to do when you utter the word sit suggests that animals have a memory function something like what is called semantic memory in humans.

حتی حیوانات ابتدایی نیز می‌توانند خاطرات تداعی‌گر تشکیل دهند، مانند شرطی‌سازی کلاسیک یا فعال (آیا نام پاولوف زنگ خطر را به صدا در می‌آورد؟)، اما عملاً هیچ مدرک پذیرفته‌شده‌ای وجود ندارد که حیوانات غیر از انسان‌ها دارای خاطرات اپیزودیک باشند، که به عملکرد حافظه کاری در قشر جلوی مغز بستگی دارد. این واقعیت که سگ شما یاد گرفته است که وقتی کلمه «بنشین» را می‌گویید چه کاری انجام دهد، نشان می‌دهد که حیوانات عملکرد حافظه‌ای شبیه به آنچه در انسان حافظه معنایی نامیده می‌شود، دارند.

The prefrontal cortex is larger in humans than other primates, but even non- primate mammals have prefrontal cortices, so the question becomes, does epi- sodic memory depend on language? What neuroscientists do know is that the complex planning that humans are capable of depends on executive functions in the prefrontal cortex.

قشر پیش‌پیشانی در انسان بزرگتر از سایر نخستی‌سانان است، اما حتی پستانداران غیرنخستی نیز قشر پیش‌پیشانی دارند، بنابراین این سوال مطرح می‌شود که آیا حافظه اپیزودیک به زبان بستگی دارد؟ آنچه دانشمندان علوم اعصاب می‌دانند این است که برنامه‌ریزی پیچیده‌ای که انسان‌ها قادر به انجام آن هستند به عملکردهای اجرایی در قشر پیش‌پیشانی بستگی دارد.

When Things Go Wrong: Neurological and Mental Illness

Given the enormous complexity of the brain, it should not be surprising that sometimes it gets broken. Mental disorders range from those with a clear genetic basis, such as Down and Fragile X syndromes, to disorders with high but not com- plete heritability, such as schizophrenia and autism, to conditions that may be almost completely attributed to life events, like some types of depression.

وقتی اوضاع خراب می‌شود: بیماری‌های عصبی و روانی

با توجه به پیچیدگی عظیم مغز، جای تعجب نیست که گاهی اوقات دچار اختلال می‌شود. اختلالات روانی از اختلالاتی با پایه ژنتیکی واضح، مانند سندرم داون و سندرم ایکس شکننده، تا اختلالاتی با وراثت‌پذیری بالا اما نه کامل، مانند اسکیزوفرنی و اوتیسم، و تا بیماری‌هایی که تقریباً به طور کامل به رویدادهای زندگی نسبت داده می‌شوند، مانند برخی از انواع افسردگی، متغیر است.

Some mental disorders are also associated with aging, such as Alzheimer’s and Parkinson’s diseases. These diseases have no clear genetic basis, although increas- ing evidence points to associations between some genetic constituencies and risk for these diseases. Huntington’s disease is genetic, but its symptoms typically don’t appear until adulthood.

برخی از اختلالات روانی نیز با پیری مرتبط هستند، مانند بیماری‌های آلزایمر و پارکینسون. این بیماری‌ها هیچ پایه ژنتیکی واضحی ندارند، اگرچه شواهد فزاینده‌ای به ارتباط بین برخی از زمینه‌های ژنتیکی و خطر ابتلا به این بیماری‌ها اشاره دارد. بیماری هانتینگتون ژنتیکی است، اما علائم آن معمولاً تا بزرگسالی ظاهر نمی‌شوند.

What can go wrong with the brain can occur at multiple levels. The following is just a sampling of mental and neurological illnesses that can occur:

آنچه که می‌تواند در مغز اشتباه رخ دهد، می‌تواند در سطوح مختلف رخ دهد. موارد زیر فقط نمونه‌ای از بیماری‌های روانی و عصبی است که می‌توانند رخ دهند:

» Developmental errors in gross structure: Genetic mutations or environ- mental toxins can lead to defects in gross brain structure. Defects can includemissing, abnormally small or disorganized brain areas, such as in the cerebel- lum, or diminished axon tracts connecting brain areas.

» خطاهای رشدی در ساختار کلی: جهش‌های ژنتیکی یا سموم محیطی می‌توانند منجر به نقص در ساختار کلی مغز شوند. نقص‌ها می‌توانند شامل فقدان، کوچک بودن غیرطبیعی یا بی‌نظمی نواحی مغزی، مانند مخچه، یا کاهش مسیرهای آکسونی متصل‌کننده نواحی مغز باشند.

» Developmental errors in specific local circuits: Some recent theories forautism suggest that, in people with autism, the balance between short and long range neural connections is skewed toward an excess in the short range. This is hypothesized to lead to over-attention to details and inability to respond well to the big picture.

» خطاهای رشدی در مدارهای موضعی خاص: برخی از نظریه‌های اخیر در مورد اوتیسم نشان می‌دهند که در افراد مبتلا به اوتیسم، تعادل بین اتصالات عصبی کوتاه‌برد و بلندبرد به سمت افزایش در محدوده کوتاه‌برد منحرف می‌شود. فرض بر این است که این امر منجر به توجه بیش از حد به جزئیات و عدم توانایی در پاسخ خوب به تصویر کلی می‌شود.

» Dysfunctional neural pathways: Mutations in genes that specify neuro- transmitter receptors may lead to brain-wide processing deficits. While somebrain areas may compensate with other neuronal receptors, other areas may not. Excitatory/inhibitory receptor balance may be implicated in epilepsy and some forms of depression.

» مسیرهای عصبی ناکارآمد: جهش در ژن‌هایی که گیرنده‌های انتقال‌دهنده عصبی را مشخص می‌کنند ممکن است منجر به نقص پردازش در کل مغز شود. در حالی که برخی از نواحی مغز ممکن است با سایر گیرنده‌های عصبی جبران کنند، سایر نواحی ممکن است این کار را نکنند. تعادل گیرنده‌های تحریکی/مهاری ممکن است در صرع و برخی از انواع افسردگی دخیل باشد.

» Environmentally caused organic dysfunctions: The brain can be damaged by overt injury, such as by a blow to the head. It can also be damaged bytoxins such as lead and mercury that produce developmental delays and other mental incapacities without overt signs of brain damage.

» اختلالات ارگانیک ناشی از محیط: مغز می‌تواند در اثر آسیب آشکار، مانند ضربه به سر، آسیب ببیند. همچنین می‌تواند توسط سمومی مانند سرب و جیوه که باعث تأخیر در رشد و سایر ناتوانی‌های ذهنی بدون علائم آشکار آسیب مغزی می‌شوند، آسیب ببیند.

» Environmentally caused psychological dysfunctions: Sometimes mental illnesses, such as some types of depression, occur after environmentaltriggers in people who have had no previous indications of mental problems. A crucial question in mental illnesses such as depression is whether non- organic causes, such as loss of a loved one, produce depression primarily by changing brain neurochemistry.

» اختلالات روانی ناشی از محیط: گاهی اوقات بیماری‌های روانی، مانند برخی از انواع افسردگی، پس از محرک‌های محیطی در افرادی که هیچ نشانه‌ای از مشکلات روانی نداشته‌اند، رخ می‌دهند. یک سوال اساسی در بیماری‌های روانی مانند افسردگی این است که آیا علل غیر ارگانیک، مانند از دست دادن یکی از عزیزان، در درجه اول با تغییر نوروشیمی مغز باعث افسردگی می‌شوند یا خیر.

For more information on these types of diseases and disorders, head to Chapter 17.

برای اطلاعات بیشتر در مورد این نوع بیماری‌ها و اختلالات، به فصل ۱۷ مراجعه کنی

Revolutionizing the Future: Advancements in Various Fields

Revolutions in neuroscience that will have significant ramifications on humanity will occur within 20 years in these two areas:

انقلابی در آینده: پیشرفت‌ها در زمینه‌های مختلف

انقلاب‌هایی در علوم اعصاب که پیامدهای قابل توجهی بر بشریت خواهند داشت، طی 20 سال آینده در این دو حوزه رخ خواهند داد:

» Treatments and cures for dysfunctions
» Augmentation of the brain beyond its heretofore “normal” capabilities

» درمان‌ها و معالجات برای اختلالات عملکرد
» تقویت مغز فراتر از قابلیت‌های «عادی» پیشین آن

I discuss both in the following sections.

من در بخش‌های بعدی در مورد هر دو مورد بحث خواهم کرد.

Treating dysfunction

Until the last quarter of the 20th century, attempts to treat brain problems were a lot like trying to fix a computer with a hammer and a hacksaw. We simply lacked the appropriate tools and the knowledge about how to use them. Research on the brain has started to change this, and the change is now happening very rapidly.

درمان اختلال عملکرد

تا ربع آخر قرن بیستم، تلاش‌ها برای درمان مشکلات مغزی بسیار شبیه به تلاش برای تعمیر کامپیوتر با چکش و اره آهن‌بر بود. ما به سادگی فاقد ابزارهای مناسب و دانش در مورد نحوه استفاده از آنها بودیم. تحقیقات روی مغز شروع به تغییر این وضعیت کرده است و این تغییر اکنون بسیار سریع در حال وقوع است.

Pharmacological therapies

Most major mental disorders, including depression, schizophrenia, anxiety, and obsessive-compulsive disorder, are currently treated primarily with drugs. Most of these drugs target neurotransmitter systems.

درمان‌های دارویی

بیشتر اختلالات روانی عمده، از جمله افسردگی، اسکیزوفرنی، اضطراب و اختلال وسواس فکری-عملی، در حال حاضر عمدتاً با داروها درمان می‌شوند. اکثر این داروها سیستم‌های انتقال‌دهنده عصبی را هدف قرار می‌دهند.

Pharmacological therapies vary in their effectiveness and side effects. Lessons learned from first- and second-generation drugs are being used to design and screen third- and higher-generation agents. Although the cost of bringing a major new drug to market is currently on the order of one billion dollars, there are extensive international, privately and publicly funded efforts to develop new drugs. Drugs that are effective in eliminating most mental illness, substance abuse, or sociopathy would transform humankind.

درمان‌های دارویی از نظر اثربخشی و عوارض جانبی متفاوت هستند. درس‌های آموخته شده از داروهای نسل اول و دوم برای طراحی و غربالگری عوامل نسل سوم و بالاتر استفاده می‌شود. اگرچه هزینه عرضه یک داروی جدید بزرگ به بازار در حال حاضر حدود یک میلیارد دلار است، اما تلاش‌های گسترده‌ای بین‌المللی، خصوصی و دولتی برای توسعه داروهای جدید وجود دارد. داروهایی که در از بین بردن اکثر بیماری‌های روانی، سوء مصرف مواد یا جامعه‌ستیزی مؤثر هستند، بشریت را متحول خواهند کرد.

Transplants

Neural transplants offer great hope for treating neurological disorders such as Parkinson’s disease, which are caused by the death of relatively small numbers of cells in specific brain areas (the substantia nigra, in the case of Parkinson’s). Transplants may consist of either donor tissue or stem cells that can differentiate into the needed cell types when transplanted into the affected region.

پیوندها

پیوندهای عصبی امید زیادی برای درمان اختلالات عصبی مانند بیماری پارکینسون ایجاد می‌کنند که در اثر مرگ تعداد نسبتاً کمی از سلول‌ها در نواحی خاص مغز (در مورد پارکینسون، جسم سیاه) ایجاد می‌شوند. پیوندها ممکن است شامل بافت اهداکننده یا سلول‌های بنیادی باشند که می‌توانند هنگام پیوند به ناحیه آسیب‌دیده به انواع سلول‌های مورد نیاز تمایز یابند.

Many laboratories are working on transplanting tissue containing foreign secre- tory cells shielded from the recipient’s immune system by membranes that allow the secretory products out but not the host’s immune cells in. If the encapsulated cells respond to circulating levels of neurotransmitters in the host in an appropri- ate way, they may be able to regulate the levels of what they secrete more accu- rately and effectively than can be done by taking pills.

بسیاری از آزمایشگاه‌ها در حال کار بر روی پیوند بافت حاوی سلول‌های ترشحی خارجی هستند که توسط غشاهایی از سیستم ایمنی گیرنده محافظت می‌شوند و به محصولات ترشحی اجازه خروج می‌دهند اما به سلول‌های ایمنی میزبان اجازه ورود نمی‌دهند. اگر سلول‌های کپسوله شده به سطوح در گردش انتقال‌دهنده‌های عصبی در میزبان به شیوه‌ای مناسب پاسخ دهند، ممکن است بتوانند سطوح آنچه را که ترشح می‌کنند، دقیق‌تر و مؤثرتر از آنچه با مصرف قرص می‌توان انجام داد، تنظیم کنند.

Electrical stimulation

Deep brain stimulation (DBS) is a technique in which the balance of activity in a neural circuit involving several brain areas is altered by continuous stimulation of neurons in one part of the circuit. This technique evolved partly from attempts to achieve the same ends by surgically removing brain areas that were thought to be over-activated in the basal ganglia circuit in Parkinson’s disease.

تحریک الکتریکی

تحریک عمیق مغز (DBS) تکنیکی است که در آن تعادل فعالیت در یک مدار عصبی شامل چندین ناحیه مغز با تحریک مداوم نورون‌ها در یک بخش از مدار تغییر می‌کند. این تکنیک تا حدودی از تلاش‌ها برای دستیابی به همان اهداف با برداشتن جراحی نواحی مغزی که تصور می‌شد در مدار گانگلیون‌های پایه در بیماری پارکینسون بیش از حد فعال می‌شوند، تکامل یافته است.

DBS has seen extensive success in treating Parkinson’s disease and certain kinds of tremors. DBS has also shown promise in treating certain kinds of depression.

DBS موفقیت گسترده‌ای در درمان بیماری پارکینسون و انواع خاصی از لرزش داشته است. DBS همچنین در درمان انواع خاصی از افسردگی نویدبخش بوده است.

Another kind of electrical stimulation is transcranial magnetic stimulation (TMS). TMS uses a strong, pulsed magnetic field generated just outside the skull to pro- duce localized currents within the brain areas underneath the coil. These currents initially excite and then shut off brain activity for some period of time. Despite the short duration of the direct effects, long-term benefits have been observed in situations such as intractable depression. In this, TMS appears to act somewhat like the old “shock therapy” (electroconvulsive therapy, or ECT), but without pro- ducing seizures and some other unintended side effects.

نوع دیگری از تحریک الکتریکی، تحریک مغناطیسی ترانس کرانیال (TMS) است. TMS از یک میدان مغناطیسی قوی و پالسی که درست در خارج از جمجمه تولید می‌شود، برای تولید جریان‌های موضعی در نواحی مغزی زیر سیم‌پیچ استفاده می‌کند. این جریان‌ها در ابتدا فعالیت مغز را تحریک و سپس برای مدتی خاموش می‌کنند. با وجود مدت کوتاه اثرات مستقیم، مزایای بلندمدت در موقعیت‌هایی مانند افسردگی مقاوم به درمان مشاهده شده است. در این مورد، به نظر می‌رسد TMS تا حدودی مانند “شوک درمانی” قدیمی (درمان با تشنج الکتریکی یا ECT) عمل می‌کند، اما بدون ایجاد تشنج و برخی عوارض جانبی ناخواسته دیگر.

An electrical stimulation technique called transcranial direct current stimulation (tDCS) has also shown promise in enhancing learning, reducing depression, and possibly increasing self-control. tDCS involves injecting about 2 milliamps of cur- rent between anode (positive) and cathode (negative) electrodes placed on differ- ent brain areas, depending on what brain area is to be modulated. Most studies suggest that brain activity under the anode is enhanced, while brain activity under the cathode is depressed. As with TMS, effects seem to last much longer than the treatment time, which is usually about 20 minutes for tDCS.

یک تکنیک تحریک الکتریکی به نام تحریک جریان مستقیم فراجمجمه‌ای (tDCS) نیز نویدبخش افزایش یادگیری، کاهش افسردگی و احتمالاً افزایش خودکنترلی بوده است. tDCS شامل تزریق حدود ۲ میلی‌آمپر جریان بین الکترودهای آند (مثبت) و کاتد (منفی) است که بسته به ناحیه‌ای از مغز که قرار است مدوله شود، در نواحی مختلف مغز قرار می‌گیرند. اکثر مطالعات نشان می‌دهند که فعالیت مغز در زیر آند افزایش می‌یابد، در حالی که فعالیت مغز در زیر کاتد کاهش می‌یابد. همانند TMS، به نظر می‌رسد اثرات بسیار طولانی‌تر از زمان درمان است که معمولاً برای tDCS حدود ۲۰ دقیقه است.

Neural prostheses

Paralysis from spinal cord and brain injuries has been almost impossible to treat because the motor neurons that would activate the muscles were either killed in the original injury or degenerate from lack of use afterward. A long-time rehabili- tation dream has been to intercept brain signals commanding movements, relay them past the interruption, and drive muscles directly with electrical stimulation.

پروتزهای عصبی

درمان فلج ناشی از آسیب‌های نخاعی و مغزی تقریباً غیرممکن بوده است، زیرا نورون‌های حرکتی که عضلات را فعال می‌کنند یا در آسیب اولیه کشته شده‌اند یا پس از آن به دلیل عدم استفاده، تحلیل رفته‌اند. یک رویای دیرینه توانبخشی، رهگیری سیگنال‌های مغزی فرمان‌دهنده حرکات، انتقال آنها از وقفه و هدایت مستقیم عضلات با تحریک الکتریکی بوده است.

Another type of neural prosthesis is for sensory replacement. By far the most suc- cessful of these is the cochlear implant for deafness. More than 700,000 of these have been implanted worldwide at the time of this writing. In most cases these prostheses allow the recipient to carry on normal conversations, even on the telephone.

نوع دیگری از پروتزهای عصبی برای جایگزینی حسی است. تاکنون موفق‌ترین آنها کاشت حلزون برای ناشنوایی بوده است. بیش از ۷۰۰۰۰۰ عدد از این پروتزها در سراسر جهان در زمان نگارش این مطلب کاشته شده‌اند. در بیشتر موارد، این پروتزها به گیرنده اجازه می‌دهند مکالمات عادی، حتی از طریق تلفن، را انجام دهد.

Prostheses for vision have been less successful. This is partly due to the fact that the information channel is so much larger (1 million ganglion cell axons versus 30,000 auditory nerve fibers), and partly because the cochlea presents a unique environment suitable for the introduction of a stimulating prosthesis. Demon- stration projects for visual prostheses have implanted them in both retina and visual cortex, but neither approach has achieved clinically relevant effectiveness. Work continues, however.

پروتزهای بینایی کمتر موفق بوده‌اند. این امر تا حدی به این دلیل است که کانال اطلاعات بسیار بزرگتر است (۱ میلیون آکسون سلول گانگلیونی در مقابل ۳۰۰۰۰ فیبر عصبی شنوایی)، و تا حدی به این دلیل که حلزون گوش محیطی منحصر به فرد و مناسب برای معرفی پروتز تحریک کننده ارائه می‌دهد. پروژه‌های آزمایشی برای پروتزهای بینایی، آنها را هم در شبکیه و هم در قشر بینایی کاشته‌اند، اما هیچ‌کدام از این رویکردها به اثربخشی بالینی مناسبی دست نیافته‌اند. با این حال، کار ادامه دارد.

Genetic therapies

Much psychological and neurological dysfunction occurs because some neuro- transmitter systems are overactive, underactive, or out of balance with other sys- tems. Given that neurotransmission is regulated by gene expression, modification of that expression is an obvious therapeutic target. The insertion of new genes in adult animals and humans has been accomplished with viral transfection thera- pies, such as modifying adenoviruses (the viruses that produce the common cold) to insert a desired gene in a patient’s genome that will then be expressed like the patient’s own native DNA but will correct the neurotransmitter imbalance. More recently, the CRISPR/Cas9 technique allows the editing (removing/replacing) of virtually any sequence in a cell’s DNA. Genetic therapies such as this are likely to revolutionize medicine and neuroscience research and therapy in the next decades.

درمان‌های ژنتیکی

بسیاری از اختلالات روانی و عصبی به این دلیل رخ می‌دهند که برخی از سیستم‌های انتقال‌دهنده عصبی بیش از حد فعال، کم فعال یا نامتعادل با سایر سیستم‌ها هستند. با توجه به اینکه انتقال عصبی توسط بیان ژن تنظیم می‌شود، اصلاح آن بیان یک هدف درمانی آشکار است. وارد کردن ژن‌های جدید در حیوانات و انسان‌های بالغ با درمان‌های ترانسفکشن ویروسی، مانند اصلاح آدنوویروس‌ها (ویروس‌هایی که سرماخوردگی معمولی را ایجاد می‌کنند) برای وارد کردن یک ژن مورد نظر در ژنوم بیمار انجام شده است که سپس مانند DNA بومی خود بیمار بیان می‌شود اما عدم تعادل انتقال‌دهنده عصبی را اصلاح می‌کند. اخیراً، تکنیک CRISPR/Cas9 امکان ویرایش (حذف/جایگزینی) تقریباً هر توالی در DNA سلول را فراهم می‌کند. درمان‌های ژنتیکی مانند این احتمالاً در دهه‌های آینده انقلابی در تحقیقات و درمان پزشکی و علوم اعصاب ایجاد خواهند کرد.

Augmenting function: Changing who we are

Humans are now beginning to augment ourselves. This augmentation will go far beyond the vaccines, surgical procedures, and prosthetics that alter our bodies, because it will involve our brains being directly connected to electronic circuits and, through those circuits, to the universe.

عملکرد تقویت‌کننده: تغییر آنچه هستیم

انسان‌ها اکنون شروع به تقویت خود کرده‌اند. این تقویت بسیار فراتر از واکسن‌ها، روش‌های جراحی و پروتزهایی خواهد بود که بدن ما را تغییر می‌دهند، زیرا مغز ما را مستقیماً به مدارهای الکترونیکی و از طریق آن مدارها به جهان متصل می‌کند.

Using likely extensions of current technology, imagine using an implanted neural prosthesis to access the Internet just by thinking about it. Similar prostheses could translate languages in our heads or allow us to do complex mathematical calculations. They could allow us to communicate with anyone on earth simply by thinking about that person.

ا استفاده از گسترش‌های احتمالی فناوری فعلی، تصور کنید که از یک پروتز عصبی کاشته شده برای دسترسی به اینترنت فقط با فکر کردن به آن استفاده کنید. پروتزهای مشابه می‌توانند زبان‌ها را در سر ما ترجمه کنند یا به ما اجازه دهند محاسبات ریاضی پیچیده انجام دهیم. آنها می‌توانند به ما اجازه دهند با هر کسی روی زمین فقط با فکر کردن به آن شخص ارتباط برقرار کنیم.

Sound far-fetched? Consider that neuro-prostheses consisting of hundreds of electrodes have already been experimentally implanted in a few people who were either paralyzed or blind. The principles involved in recording from or stimulating individual neurons in the brain are well within current technology. Genetic modu- lation of the nervous system may greatly enable the compatibility between it and implants. What remains to be done is to achieve better resolution and signal pro- cessing and longer lasting implants, which no doubt will happen in 20 years.

دور از ذهن به نظر می‌رسد؟ در نظر بگیرید که پروتزهای عصبی متشکل از صدها الکترود قبلاً به صورت آزمایشی در چند فرد فلج یا نابینا کاشته شده‌اند. اصول مربوط به ضبط یا تحریک نورون‌های منفرد در مغز کاملاً در چارچوب فناوری فعلی است. مدولاسیون ژنتیکی سیستم عصبی ممکن است سازگاری بین آن و ایمپلنت‌ها را تا حد زیادی ممکن سازد. آنچه باقی مانده است، دستیابی به وضوح و پردازش سیگنال بهتر و کاشت‌های بادوام‌تر است که بدون شک طی 20 سال آینده محقق خواهد شد.