علوم اعصاب پروس؛ تحلیل ساختاری و عملکردی سیستم‌های عصبی

Structural Analysis of Neural Systems

Early observers of neural systems made inferences of functional localization (i.e., which region of the nervous system serves which function) by correlating behavioral deficits (e.g., paralysis of a specific extremity, difficulty speaking or understanding language) to damaged brain structures observed post mortem. Using structure to infer function was soon adapted to experimental animals, and much neuroscience rests on observations made by purposefully damaging a brain region, nerve, or tract and observing a subsequent loss of function. Indeed, such lesion studies have provided much current understanding of the anatomy of neural systems.

تحلیل ساختاری سیستم‌های عصبی

ناظران اولیه سیستم‌های عصبی با مرتبط کردن نقص‌های رفتاری (مثلاً فلج یک اندام خاص، مشکل در صحبت کردن یا درک زبان) با ساختارهای آسیب‌دیده مغز که پس از مرگ مشاهده شده بودند، استنباط‌هایی از محلی‌سازی عملکردی (یعنی اینکه کدام ناحیه از سیستم عصبی کدام عملکرد را انجام می‌دهد) انجام دادند. استفاده از ساختار برای استنباط عملکرد به زودی برای حیوانات آزمایشگاهی سازگار شد و بخش زیادی از علوم اعصاب بر مشاهدات انجام شده با آسیب عمدی به یک ناحیه، عصب یا دستگاه مغزی و مشاهده از دست دادن عملکرد بعدی استوار است. در واقع، چنین مطالعات ضایعه‌ای درک فعلی زیادی از آناتومی سیستم‌های عصبی ارائه داده است.

More detailed neuroanatomical studies that help define neural systems emerged with the advent of techniques that can trace neural connections from their source to their termination (anterograde), or from terminus to source (retrograde). Initially these techniques relied on injecting single neurons or a brain region with visible dyes or other molecules, which were then taken up by local cell bodies and transported to axon terminals, or taken up by local axon terminals and transported back to the parent cell body (Figure 1.14A,B). Such tracers can also demonstrate an entire network of axonal projections from nerve cells exposed to the tracer (Figure 1.14C). More recent approaches use viral vectors, made innocuous via genetic engineering, to insert tracer proteins into the nucleus of a target neuronal population. These viruses often can use the host cell to replicate and be released, thereby tracing circuitry beyond the direct target of any particular set of nerve cells. Together these approaches permit assessment of the extent of connections from a single population of nerve cells to their targets throughout the nervous system.

مطالعات نوروآناتومیکی دقیق‌تر که به تعریف سیستم‌های عصبی کمک می‌کنند، با ظهور تکنیک‌هایی پدیدار شدند که می‌توانند اتصالات عصبی را از منبع تا انتهای آنها (پیش‌رونده) یا از پایانه تا منبع (پس‌رونده) ردیابی کنند. در ابتدا، این تکنیک‌ها بر تزریق رنگ‌های مرئی یا سایر مولکول‌ها به نورون‌های منفرد یا ناحیه‌ای از مغز متکی بودند که سپس توسط اجسام سلولی محلی جذب شده و به پایانه‌های آکسون منتقل می‌شدند، یا توسط پایانه‌های آکسون محلی جذب شده و به جسم سلولی والد منتقل می‌شدند (شکل 1.14A، B). چنین ردیاب‌هایی همچنین می‌توانند یک شبکه کامل از برآمدگی‌های آکسونی از سلول‌های عصبی در معرض ردیاب را نشان دهند (شکل 1.14C). رویکردهای جدیدتر از ناقل‌های ویروسی که از طریق مهندسی ژنتیک بی‌ضرر شده‌اند، برای وارد کردن پروتئین‌های ردیاب به هسته یک جمعیت عصبی هدف استفاده می‌کنند. این ویروس‌ها اغلب می‌توانند از سلول میزبان برای تکثیر و آزاد شدن استفاده کنند و در نتیجه مدارهایی فراتر از هدف مستقیم هر مجموعه خاصی از سلول‌های عصبی را ردیابی کنند. این رویکردها در کنار هم، امکان ارزیابی میزان اتصالات از یک جمعیت واحد از سلول‌های عصبی به اهدافشان در سراسر سیستم عصبی را فراهم می‌کنند.

Analyses of connectivity have been augmented by molecular and histochemical techniques that demonstrate biochemical and genetic distinctions among nerve cells and their processes. Whereas conventional cell staining methods show differences in cell size and distribution, antibody stains recognize specific proteins in different regions of a nerve cell, or molecular differences in classes of nerve cells. The use of antibody stains has clarified the functional distribution of synapses, dendrites, and other distinguishing features of nerve cell types in a variety of regions (Figure 1.14D,E). In addition, antibodies against various proteins, as well as probes for specific mRNA transcripts (which detect gene expression in the relevant cells), have been used for similar purposes (Figure 1.14F).

تجزیه و تحلیل اتصال توسط تکنیک‌های مولکولی و هیستوشیمی که تمایزات بیوشیمیایی و ژنتیکی بین سلول‌های عصبی و فرآیندهای آنها را نشان می‌دهند، تقویت شده است. در حالی که روش‌های رنگ‌آمیزی سلولی مرسوم، تفاوت‌ها در اندازه و توزیع سلول را نشان می‌دهند، رنگ‌های آنتی‌بادی پروتئین‌های خاص را در مناطق مختلف یک سلول عصبی یا تفاوت‌های مولکولی در کلاس‌های سلول‌های عصبی تشخیص می‌دهند. استفاده از رنگ‌های آنتی‌بادی، توزیع عملکردی سیناپس‌ها، دندریت‌ها و سایر ویژگی‌های متمایز انواع سلول‌های عصبی را در مناطق مختلف روشن کرده است (شکل 1.14D، E). علاوه بر این، آنتی‌بادی‌های علیه پروتئین‌های مختلف، و همچنین پروب‌هایی برای رونوشت‌های mRNA خاص (که بیان ژن را در سلول‌های مربوطه تشخیص می‌دهند)، برای اهداف مشابه استفاده شده‌اند (شکل 1.14F).

FIGURE 1.14 Cellular and molecular approaches for studying connectivity and molecular identity of nerve cells. (A–C) Tracing connections and pathways in the brain. (A) Radioactive amino acids can be taken up by one population of nerve cells (in this case, injection of a radioactively labeled amino acid into one eye) and transported to the axon terminals of those cells in the target region in the brain. (B) Fluorescent molecules injected into nerve tissue are taken up by the axon terminals at the site of the injection (the dark layers evident in the thalamus). The molecules are then transported, labeling the cell bodies and dendrites of the nerve cells that project to the injection site. (C) Tracers that label axons can reveal complex pathways in the nervous system. In this case, a dorsal root ganglion has been injected, showing the vari-ety of axon pathways from the ganglion into the spinal cord. (D–F) Molecular differences among nerve cells. (D) A single glomerulus in the olfactory bulb (see Figure 1.6H) has been labeled with an antibody against the inhibitory neurotransmitter GABA. The label shows up as a red stain, revealing GABA to be localized in subsets of neurons around the glomerulus (arrowheads) as well as at synaptic endings in the neuropil of the glomerulus (asterisk). (E) The cerebellum has been labeled with an antibody that recognizes subsets of dendrites as well as cell bodies (green). (F) Here the cerebellum has been labeled with an RNA probe (blue) for a specific gene transcript that is expressed only by Purkinje cells. (A courtesy of P. Rakic; B courtesy of B. Schofield; C courtesy of W. D. Snider and Lichtman; D–F courtesy of A.-S. LaMantia, D. Meechan, and T. Maynard.)

شکل ۱.۱۴ رویکردهای سلولی و مولکولی برای مطالعه اتصال و هویت مولکولی سلول‌های عصبی. (الف-ج) ردیابی اتصالات و مسیرها در مغز. (الف) اسیدهای آمینه رادیواکتیو می‌توانند توسط یک جمعیت از سلول‌های عصبی (در این مورد، تزریق یک اسید آمینه نشاندار شده با رادیواکتیو به یک چشم) جذب شده و به پایانه‌های آکسون آن سلول‌ها در ناحیه هدف در مغز منتقل شوند. (ب) مولکول‌های فلورسنت تزریق شده به بافت عصبی توسط پایانه‌های آکسون در محل تزریق (لایه‌های تیره مشهود در تالاموس) جذب می‌شوند. سپس مولکول‌ها منتقل می‌شوند و اجسام سلولی و دندریت‌های سلول‌های عصبی که به محل تزریق پرتاب می‌شوند را نشان می‌دهند. (ج) ردیاب‌هایی که آکسون‌ها را نشان می‌دهند می‌توانند مسیرهای پیچیده‌ای را در سیستم عصبی آشکار کنند. در این مورد، یک گانگلیون ریشه پشتی تزریق شده است که تنوع مسیرهای آکسون از گانگلیون به نخاع را نشان می‌دهد. (د-و) تفاوت‌های مولکولی بین سلول‌های عصبی. (د) یک گلومرول منفرد در پیاز بویایی (شکل 1.6H را ببینید) با یک آنتی‌بادی علیه انتقال‌دهنده عصبی مهارکننده GABA برچسب‌گذاری شده است. این برچسب به صورت یک لکه قرمز نشان داده می‌شود که نشان می‌دهد GABA در زیرمجموعه‌هایی از نورون‌های اطراف گلومرول (نوک پیکان‌ها) و همچنین در انتهای سیناپسی در نوروپیل گلومرول (ستاره) قرار دارد. (ه) مخچه با یک آنتی‌بادی که زیرمجموعه‌هایی از دندریت‌ها و همچنین اجسام سلولی (سبز) را تشخیص می‌دهد، برچسب‌گذاری شده است. (و) در اینجا مخچه با یک کاوشگر RNA (آبی) برای یک رونوشت ژن خاص که فقط توسط سلول‌های پورکنژ بیان می‌شود، برچسب‌گذاری شده است. (الف) از پی. راکیک؛ ب) از بی. اسکافیلد؛ ج) از دبلیو. دی. اسنایدر و لیختمن؛ د-ف) از ای.-اس. لامانتیا، دی. میچان و تی. مینارد.)

More recently still, molecular genetic and neuroanatomical methods have been combined to visualize the expression of fluorescent or other tracer molecules under the control of regulatory sequences of neural genes (Figure 1.15). This approach illuminates individual cells in fixed or living tissue in remarkable detail, allowing   nerve cells and their processes to be identified by their transcriptional state (i.e., which genes are being transcribed in that cell) as well as their structure and connections. These techniques enable molecular distinctions to be made between otherwise equivalent nerve cells.

اخیراً، روش‌های ژنتیک مولکولی و نوروآناتومی برای تجسم بیان مولکول‌های فلورسنت یا سایر مولکول‌های ردیاب تحت کنترل توالی‌های تنظیمی ژن‌های عصبی ترکیب شده‌اند (شکل 1.15). این رویکرد، سلول‌های منفرد را در بافت ثابت یا زنده با جزئیات قابل توجهی روشن می‌کند و به سلول‌های عصبی و فرآیندهای آنها اجازه می‌دهد تا از طریق وضعیت رونویسی آنها (یعنی اینکه کدام ژن‌ها در آن سلول رونویسی می‌شوند) و همچنین ساختار و اتصالات آنها شناسایی شوند. این تکنیک‌ها امکان تمایز مولکولی بین سلول‌های عصبی معادل را فراهم می‌کنند.

FIGURE 1.15 Genetic engineering used to show pathways in the nervous system. A reporter gene that codes for a visible protein (e.g., green fluorescent protein) is inserted into the genome under the control of a cell type–specific promoter (a mouse DNA sequence that turns the gene “on” in specific tissue and cell types). The reporter is expressed only in those cell types, revealing the cell bodies, axons, and dendrites of all cells in the nervous system that express the gene. Here the reporter is under the control of a promoter DNA sequence that is activated only in a subset of dorsal root ganglion neurons. The reporter labels neuronal cell bodies; the axons that project to the skin as free nerve endings; and the axon that projects to the dorsal root of the spinal cord to relay this sensory information from the skin to the brain. (Photographs from Zylka et al., 2005.)

شکل ۱.۱۵ مهندسی ژنتیک برای نشان دادن مسیرهای سیستم عصبی استفاده می‌شود. یک ژن گزارشگر که یک پروتئین قابل مشاهده (مثلاً پروتئین فلورسنت سبز) را کد می‌کند، تحت کنترل یک پروموتر اختصاصی نوع سلول (توالی DNA موش که ژن را در انواع بافت و سلول خاص “روشن” می‌کند) وارد ژنوم می‌شود. گزارشگر فقط در آن نوع سلول‌ها بیان می‌شود و اجسام سلولی، آکسون‌ها و دندریت‌های تمام سلول‌های سیستم عصبی که ژن را بیان می‌کنند، آشکار می‌شوند. در اینجا گزارشگر تحت کنترل یک توالی DNA پروموتر است که فقط در زیرمجموعه‌ای از نورون‌های گانگلیون ریشه پشتی فعال می‌شود. گزارشگر، اجسام سلولی نورونی؛ آکسون‌هایی که به پوست می‌روند را به عنوان پایانه‌های عصبی آزاد؛ و آکسونی که به ریشه پشتی نخاع می‌رود تا این اطلاعات حسی را از پوست به مغز منتقل کند، برچسب‌گذاری می‌کند. (عکس‌ها از زیلکا و همکاران، ۲۰۰۵.)

In short, a variety of molecular and genetic engineering approaches now allow researchers to trace connections between defined populations of neurons and their targets. The use of pathway tracing and analyses of the molecular and genetic identity of nerve cells and connections in neural systems are now routine.

به طور خلاصه، امروزه طیف وسیعی از رویکردهای مهندسی ژنتیک و مولکولی به محققان این امکان را می‌دهد که ارتباطات بین جمعیت‌های تعریف‌شده نورون‌ها و اهداف آنها را ردیابی کنند. استفاده از ردیابی مسیر و تجزیه و تحلیل هویت مولکولی و ژنتیکی سلول‌های عصبی و ارتباطات در سیستم‌های عصبی اکنون امری عادی است.

Functional Analysis of Neural Systems

Functional analyses provide another powerful way of understanding the organization of nervous systems. A variety of physiological methods are now available to evaluate the electrical and metabolic activity of the neuronal circuits that make up a neural system. Two approaches—electrophysiological recording and functional brain imaging— have been particularly useful in defining how neural systems convey and represent information.

تحلیل عملکردی سیستم‌های عصبی

تحلیل‌های عملکردی، روش قدرتمند دیگری برای درک سازماندهی سیستم‌های عصبی ارائه می‌دهند. اکنون روش‌های فیزیولوژیکی متنوعی برای ارزیابی فعالیت الکتریکی و متابولیکی مدارهای عصبی که یک سیستم عصبی را تشکیل می‌دهند، در دسترس است. دو رویکرد – ثبت الکتروفیزیولوژیکی و تصویربرداری عملکردی مغز – به ویژه در تعریف چگونگی انتقال و نمایش اطلاعات توسط سیستم‌های عصبی مفید بوده‌اند.

The most widely used electrophysiological method, however, has been single-cell, or single-unit, electrophysiological recording with microelectrodes, as discussed earlier in the chapter (see Figures 1.8 and 1.9). This method often records from several nearby cells in addition to the one selected, providing further useful information. The use of microelectrodes to record action potential activity allows cell-by-cell analysis of the organization of topographic maps (see above), and can give specific insight into the type of stimulus to which the neuron is “tuned” (i.e., the stimulus that elicits a maximal change in neuronal activity from a baseline state). Such tuning defines a neuron’s receptive field—the region in sensory space (e.g., the body surface or a specialized structure such as the retina) within which a specific stimulus elicits action potential response (Figure 1.16). This way of understanding neural systems was pioneered by Stephen Kuffler and Vernon Mountcastle in the early 1950s and has been used by several generations of neuroscientists to evaluate the relationship between peripheral stimuli (sensory) or actions (motor) and neuronal responses in both sensory and motor systems. Electrical recording techniques at the single-cell level have been extended and refined to include single and simultaneous multiple cell analysis in animals performing complex cognitive tasks, intracellular recordings in intact animals, and the use of patch electrodes to detect and monitor the activity of the individual membrane molecules that ultimately underlie neural signaling (see Chapters 2 and 3). For neurons that are not concerned with space as such, stimulus-selective responses further define receptive field properties that are used to categorize neurons. For example, the response to different odorant molecules can be used to define the preferences of individual neurons in the olfactory system. Such preferences can be identified for any neuron. Thus, a neuron in the visual system, for example, can be tested for preferences to color, motion, and so on, in addition to being tested for its response to stimuli presented in a distinct location in visual space.

با این حال، پرکاربردترین روش الکتروفیزیولوژیکی، ثبت الکتروفیزیولوژیکی تک سلولی یا تک واحدی با میکروالکترودها بوده است، همانطور که قبلاً در این فصل مورد بحث قرار گرفت (به شکل‌های ۱.۸ و ۱.۹ مراجعه کنید). این روش اغلب علاوه بر سلول انتخاب شده، از چندین سلول مجاور نیز ثبت می‌کند و اطلاعات مفید بیشتری را ارائه می‌دهد. استفاده از میکروالکترودها برای ثبت فعالیت پتانسیل عمل، امکان تجزیه و تحلیل سلول به سلول از سازماندهی نقشه‌های توپوگرافی (به بالا مراجعه کنید) را فراهم می‌کند و می‌تواند بینش خاصی در مورد نوع محرکی که نورون برای آن “تنظیم” شده است (یعنی محرکی که حداکثر تغییر را در فعالیت نورونی از حالت پایه ایجاد می‌کند) ارائه دهد. چنین تنظیمی، میدان گیرنده نورون را تعریف می‌کند – ناحیه‌ای در فضای حسی (مثلاً سطح بدن یا یک ساختار تخصصی مانند شبکیه) که در آن یک محرک خاص، پاسخ پتانسیل عمل را ایجاد می‌کند (شکل ۱.۱۶). این روش درک سیستم‌های عصبی توسط استفن کافلر و ورنون مونتکسل در اوایل دهه 1950 میلادی ابداع شد و توسط چندین نسل از دانشمندان علوم اعصاب برای ارزیابی رابطه بین محرک‌های محیطی (حسی) یا اعمال (حرکتی) و پاسخ‌های عصبی در هر دو سیستم حسی و حرکتی مورد استفاده قرار گرفته است. تکنیک‌های ثبت الکتریکی در سطح تک سلولی گسترش یافته و اصلاح شده‌اند تا شامل تجزیه و تحلیل تک سلولی و همزمان چند سلولی در حیواناتی که وظایف شناختی پیچیده انجام می‌دهند، ثبت‌های درون سلولی در حیوانات سالم و استفاده از الکترودهای پچ برای تشخیص و نظارت بر فعالیت مولکول‌های غشایی منفرد که در نهایت زیربنای سیگنالینگ عصبی هستند، شوند (به فصل‌های 2 و 3 مراجعه کنید). برای نورون‌هایی که به فضا به این صورت مربوط نمی‌شوند، پاسخ‌های انتخابی محرک، ویژگی‌های میدان گیرنده را که برای طبقه‌بندی نورون‌ها استفاده می‌شوند، بیشتر تعریف می‌کنند. به عنوان مثال، پاسخ به مولکول‌های مختلف بو می‌تواند برای تعریف ترجیحات نورون‌های منفرد در سیستم بویایی استفاده شود. چنین ترجیحاتی را می‌توان برای هر نورون شناسایی کرد. بنابراین، برای مثال، یک نورون در سیستم بینایی می‌تواند علاوه بر آزمایش پاسخ آن به محرک‌های ارائه شده در یک مکان مشخص در فضای بصری، از نظر ترجیحات نسبت به رنگ، حرکت و غیره نیز آزمایش شود.

FIGURE 1.16 Single-unit electrophysiological recording in a monkey. This example is from a cortical pyramidal neuron, showing the firing pattern in response to a specific peripheral stimulus in the anesthetized animal. (A) Typical experiment setup, in which a recording electrode is inserted into the somatosensory cortex in the postcentral gyrus. (B) Defining neuronal receptive fields.

شکل ۱.۱۶ ثبت الکتروفیزیولوژیک تک واحدی در یک میمون. این مثال از یک نورون هرمی قشری گرفته شده است که الگوی شلیک را در پاسخ به یک محرک محیطی خاص در حیوان بیهوش نشان می‌دهد. (الف) چیدمان آزمایش معمول، که در آن یک الکترود ثبت در قشر حسی-پیکری در شکنج پس مرکزی قرار داده می‌شود. (ب) تعریف میدان‌های گیرنده نورونی.

Functional brain imaging (see below) provides another, noninvasive approach for studying neural activity. Over the last three decades, techniques for brain imaging, especially in humans (and, to a lesser extent, experimental animals), have revolutionized our understanding of neural systems and the ability to describe and diagnose functional abnormalities in individuals with brain disorders. Unlike electrophysiological methods of recording neural activity, which require exposing the brain or some other part of the nervous system and inserting electrodes, brain imaging is thus applicable to both patients and healthy individuals who volunteer for neuroscientific investigations. Current functional imaging methods record local metabolic activity in relatively small volumes of brain tissue. These approaches allow the simultaneous evaluation of multiple brain structures, which is possible but difficult with electrical recording methods.

تصویربرداری عملکردی مغز (به پایین مراجعه کنید) رویکرد غیرتهاجمی دیگری را برای مطالعه فعالیت عصبی ارائه می‌دهد. در طول سه دهه گذشته، تکنیک‌های تصویربرداری مغز، به ویژه در انسان‌ها (و تا حد کمتری در حیوانات آزمایشگاهی)، درک ما از سیستم‌های عصبی و توانایی توصیف و تشخیص ناهنجاری‌های عملکردی در افراد مبتلا به اختلالات مغزی را متحول کرده‌اند. برخلاف روش‌های الکتروفیزیولوژیکی ثبت فعالیت عصبی، که نیاز به قرار دادن مغز یا بخش دیگری از سیستم عصبی و قرار دادن الکترودها دارند، تصویربرداری مغز هم برای بیماران و هم برای افراد سالمی که داوطلب تحقیقات علوم اعصاب هستند، قابل اجرا است. روش‌های تصویربرداری عملکردی فعلی، فعالیت متابولیک موضعی را در حجم‌های نسبتاً کمی از بافت مغز ثبت می‌کنند. این رویکردها امکان ارزیابی همزمان چندین ساختار مغز را فراهم می‌کنند، که با روش‌های ثبت الکتریکی امکان‌پذیر اما دشوار است.

Analyzing Complex Behavior

Many advances in modern neuroscience have involved reducing the complexity of the brain to more readily analyzed components—genes, molecules, cells, and circuits. But, more complex brain functions such as perception, language, emotions, memory, and consciousness remain a challenge for contemporary neuroscientists. Over the last 30 years or so, a new field called cognitive neuroscience has emerged that is specifically devoted to understanding these issues (see Unit V). One approach to cognitive neuroscience is to design and validate specific behavioral tasks that can be used to assess aspects of human or animal information processing and behavior. These tasks can be used in humans and assessed based on correct versus incorrect responses, numbers of trials needed to learn the task, or the reaction time between the presentation of a stimulus and the individual’s response. In addition, tasks can be adapted for presentation in a magnetic resonance scanner, and performed while the scanner records changes in patterns of activity (inferred from blood flow changes) in the human brain, as described in more detail in the following sections.

تحلیل رفتار پیچیده

پیشرفت‌های بسیاری در علوم اعصاب مدرن شامل کاهش پیچیدگی مغز به اجزایی با قابلیت تحلیل آسان‌تر – ژن‌ها، مولکول‌ها، سلول‌ها و مدارها – بوده است. اما، عملکردهای پیچیده‌تر مغز مانند ادراک، زبان، احساسات، حافظه و آگاهی همچنان برای دانشمندان علوم اعصاب معاصر یک چالش است. در طول حدود 30 سال گذشته، حوزه جدیدی به نام علوم اعصاب شناختی ظهور کرده است که به طور خاص به درک این مسائل اختصاص دارد (به بخش پنجم مراجعه کنید). یکی از رویکردهای علوم اعصاب شناختی، طراحی و اعتبارسنجی وظایف رفتاری خاص است که می‌توان از آنها برای ارزیابی جنبه‌های پردازش اطلاعات و رفتار انسان یا حیوان استفاده کرد. این وظایف را می‌توان در انسان‌ها استفاده کرد و بر اساس پاسخ‌های صحیح در مقابل نادرست، تعداد آزمایش‌های مورد نیاز برای یادگیری وظیفه یا زمان واکنش بین ارائه یک محرک و پاسخ فرد ارزیابی کرد. علاوه بر این، وظایف را می‌توان برای ارائه در یک اسکنر رزونانس مغناطیسی تطبیق داد و در حالی که اسکنر تغییرات الگوهای فعالیت (استنتاج شده از تغییرات جریان خون) در مغز انسان را ثبت می‌کند، انجام داد، همانطور که در بخش‌های بعدی با جزئیات بیشتر توضیح داده شده است.

This evolution of cognitive neuroscience has also rejuvenated neuroethology, the field devoted to observing complex behaviors of animals in their native environments—for example, social communication in birds and non-human primates—and has encouraged the development of tasks to better evaluate the genesis of complex human behaviors. When used in combination with reductionist neuroscience methods, brain regions that are active when engaging in tasks that involve language, mathematics, music, aesthetics, and even abstract thinking and social appraisals can be evaluated. Carefully constructed behavioral tasks can also be used to study the pathology of complex neurological disorders that compromise cognition, such as Alzheimer’s disease, schizophrenia, and depression. Although there is clearly a long way to go, these increasingly powerful approaches are beginning to unravel even the most complex aspects of human behavior in scientific terms.

این تکامل علوم اعصاب شناختی، نورورفتارشناسی را نیز احیا کرده است، حوزه‌ای که به مشاهده رفتارهای پیچیده حیوانات در محیط‌های بومی خود اختصاص دارد – به عنوان مثال، ارتباطات اجتماعی در پرندگان و نخستی‌های غیرانسانی – و توسعه وظایفی را برای ارزیابی بهتر پیدایش رفتارهای پیچیده انسانی تشویق کرده است. هنگامی که این روش‌ها در ترکیب با روش‌های علوم اعصاب تقلیل‌گرا استفاده شوند، می‌توان نواحی مغزی را که هنگام انجام وظایفی که شامل زبان، ریاضیات، موسیقی، زیبایی‌شناسی و حتی تفکر انتزاعی و ارزیابی‌های اجتماعی هستند، فعال هستند، ارزیابی کرد. وظایف رفتاری با دقت طراحی شده همچنین می‌توانند برای مطالعه آسیب‌شناسی اختلالات عصبی پیچیده‌ای که شناخت را به خطر می‌اندازند، مانند بیماری آلزایمر، اسکیزوفرنی و افسردگی، مورد استفاده قرار گیرند. اگرچه به وضوح راه درازی در پیش است، اما این رویکردهای قدرتمند در حال شروع به رمزگشایی حتی پیچیده‌ترین جنبه‌های رفتار انسان به زبان علمی هستند.

Imaging the Living Human Brain

Until the late 1970s, most understanding of the structure and function of the human brain was derived from postmortem human specimens or inferred from animal studies. While these approaches were informative, the information they provided necessarily failed to convey the functional complexity of the human brain. Furthermore, most anatomical and functional correlations were based on the consequences of brain damage, raising additional uncertainties. The advent of techniques for imaging the anatomical and functional details of the human brain resulted in observations that supported many of the conclusions drawn from postmortem and animal studies. Their primary value was for clinical or diagnostic purposes. In the last several decades, however, newer approaches have been used in safe, non-invasive research in healthy human participants as well as individuals with brain damage or neurological diseases. In addition to confirming older conclusions in a more rigorous way, these methods opened new avenues for exploring how the brain carries out complex functions such as language, reading, math, music, and more.

تصویربرداری از مغز انسان زنده

تا اواخر دهه 1970، بیشتر درک ساختار و عملکرد مغز انسان از نمونه‌های انسانی پس از مرگ یا استنباط از مطالعات حیوانی حاصل می‌شد. در حالی که این رویکردها آموزنده بودند، اطلاعاتی که ارائه می‌دادند لزوماً در انتقال پیچیدگی عملکردی مغز انسان ناکام بودند. علاوه بر این، بیشتر همبستگی‌های آناتومیکی و عملکردی مبتنی بر پیامدهای آسیب مغزی بودند و عدم قطعیت‌های بیشتری را ایجاد می‌کردند. ظهور تکنیک‌هایی برای تصویربرداری از جزئیات آناتومیکی و عملکردی مغز انسان منجر به مشاهداتی شد که بسیاری از نتیجه‌گیری‌های حاصل از مطالعات پس از مرگ و حیوانات را پشتیبانی می‌کرد. ارزش اصلی آنها برای اهداف بالینی یا تشخیصی بود. با این حال، در چند دهه گذشته، رویکردهای جدیدتر در تحقیقات ایمن و غیرتهاجمی در شرکت‌کنندگان سالم انسان و همچنین افراد مبتلا به آسیب مغزی یا بیماری‌های عصبی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. این روش‌ها علاوه بر تأیید دقیق‌تر نتیجه‌گیری‌های قدیمی‌تر، راه‌های جدیدی را برای بررسی چگونگی انجام عملکردهای پیچیده مغز مانند زبان، خواندن، ریاضی، موسیقی و موارد دیگر باز کرده‌اند.

Early Brain Imaging Using X-Rays

The first phase of human brain-imaging techniques included X-ray-based methods such as pneumoencephalography and cerebral angiography (Figure 1.17). In pneumoencephalography, air is injected into the subarachnoid space that contains cerebrospinal fluid, thus providing better X-ray contrast (see Figure 1.17A). This approach was especially useful in visualizing ventricular anomalies that cause hydrocephalus (dilation of one or several brain ventricles due to obstructions of the ventricular system). Nonetheless, the risks and discomfort produced by this method limited its use to patients whose provisional diagnoses could be confirmed in this way. Newer methods (described below) have replaced this approach.

تصویربرداری اولیه مغز با استفاده از اشعه ایکس

مرحله اول تکنیک‌های تصویربرداری مغز انسان شامل روش‌های مبتنی بر اشعه ایکس مانند پنوموانسفالوگرافی و آنژیوگرافی مغزی بود (شکل 1.17). در پنوموانسفالوگرافی، هوا به فضای زیر عنکبوتیه که حاوی مایع مغزی نخاعی است تزریق می‌شود و بنابراین کنتراست اشعه ایکس بهتری را فراهم می‌کند (شکل 1.17A را ببینید). این رویکرد به ویژه در تجسم ناهنجاری‌های بطنی که باعث هیدروسفالی (اتساع یک یا چند بطن مغز به دلیل انسداد سیستم بطنی) می‌شوند، مفید بود. با این وجود، خطرات و ناراحتی‌های ناشی از این روش، استفاده از آن را به بیمارانی که تشخیص‌های موقت آنها از این طریق قابل تأیید بود، محدود کرد. روش‌های جدیدتر (که در زیر توضیح داده شده است) جایگزین این رویکرد شده‌اند.

In cerebral angiography, a contrast agent is introduced into the circulation via an arterial catheter. X-ray images are then taken of the head in different planes, revealing the blood vessels as a network within the brain (see Figure 1.17B). This approach allowed identification of arterio-venous malformations and other vascular anomalies such as arterial occlusions. Cerebral angiography could also inform clinical assessments of vascular accidents (“strokes”) during a time when few other approaches were available. But again, the substantial risk of the procedure limits its use.

در آنژیوگرافی مغزی، یک ماده حاجب از طریق یک کاتتر شریانی وارد گردش خون می‌شود. سپس تصاویر اشعه ایکس از سر در صفحات مختلف گرفته می‌شود و رگ‌های خونی را به عنوان شبکه‌ای در مغز نشان می‌دهد (شکل 1.17B را ببینید). این رویکرد امکان شناسایی ناهنجاری‌های شریانی-وریدی و سایر ناهنجاری‌های عروقی مانند انسداد شریانی را فراهم کرد. آنژیوگرافی مغزی همچنین می‌توانست در زمانی که رویکردهای دیگری در دسترس نبود، ارزیابی‌های بالینی از حوادث عروقی (“سکته مغزی”) را ارائه دهد. اما باز هم، خطر قابل توجه این روش، استفاده از آن را محدود می‌کند.

FIGURE 1.17 Imaging basic features of the brain and cerebral vasculature using older X-ray-based methods. (A) Sagittal view from a pneumoencephalogram of the head and brain of a typical individual. The ventricles in this individual have been injected with air, which makes them more translucent than the surrounding tissue. This allows the ventricular space, particularly the lateral ventricles (LV), which span the anterior as well as posterior regions of each cortical hemisphere, to be seen clearly. (B) Sagittal view from a cerebral angiogram. The carotid artery (arrow) is the large vessel leading to the reticulum of vessels that are seen on the lateral surface. The carotid artery gives rise to multiple branches on the lateral surface of the cerebral hemispheres that establish the blood supply for most of the cerebral cortex. Note that the brain tissue itself has little contrast when imaged by X-ray. (From Hoeffner et al., 2012.)

شکل ۱.۱۷ تصویربرداری از ویژگی‌های اساسی مغز و عروق مغزی با استفاده از روش‌های قدیمی‌تر مبتنی بر اشعه ایکس. (الف) نمای ساژیتال از پنوموانسفالوگرام سر و مغز یک فرد معمولی. بطن‌های این فرد با هوا تزریق شده‌اند که آنها را نسبت به بافت اطراف شفاف‌تر می‌کند. این امر به فضای بطنی، به ویژه بطن‌های جانبی (LV)، که نواحی قدامی و خلفی هر نیمکره قشری را در بر می‌گیرند، اجازه می‌دهد تا به وضوح دیده شوند. (ب) نمای ساژیتال از آنژیوگرافی مغزی. شریان کاروتید (فلش) رگ بزرگی است که به شبکه عروقی منتهی می‌شود که در سطح جانبی دیده می‌شوند. شریان کاروتید شاخه‌های متعددی را در سطح جانبی نیمکره‌های مغزی ایجاد می‌کند که خونرسانی به بیشتر قشر مغز را برقرار می‌کنند. توجه داشته باشید که خود بافت مغز هنگام تصویربرداری با اشعه ایکس کنتراست کمی دارد. (از هوفنر و همکاران، ۲۰۱۲)

Early Functional Mapping Using Cortical Surface Stimulation and Electroencephalography

ادامه فصل در «قسمت بعد فصل اول»