Friday 25 October 2013

پروژه ی مغز انسان




دو هفته قبل ۱۳۵ نفر از متخصصین علوم اعصاب در شهر بازل سوئیس دور هم جمع شدند تا بطور رسمی "پروژه ی مغز انسان" را آغاز کنند. این پروژه در حقیقت یکی از بزرگ ترین٬جاه طلبانه ترین٬پر هزینه ترین و مهم ترین پروژه های علمی تاریخ بشر است که برای بدست آوردن درکی عمیق تر و بهتر از مغز و چگونگی کارکرد آن طراحی و اجرای آن آغاز شده است

در دفتری که پنجره هایش رو به دریاچه ی ژنو و کوه های آلپ باز می شوند؛ مردی مصمم در ابتدای چالشی بزرگ و تلاشی بغایت دشوار برای رمزگشایی از پیچیده ترین و اسرارآمیزترین پدیده ی هستی یعنی مغز مشغول به کار است. "این چیزی مثل پروژه ی ذره ی خدا (هیگز-بوزون) است اما این بار در رابطه با مغز؛ چیزی به مانند یک تلسکوپ که تمام گستره ی مغز از کوچکترین تا بزرگترین سطح آن را رصد خواهد کرد." این اظهارات و این پروژه٬برنامه ی جسورانه ی هنری مَرکرَم است؛ مردی که مسئولیت این پروژه ی بلندپروازانه را با بودجه ای بیش از یک میلیارد یورو از طرف اتحادیه اروپا بر عهده گرفته تا رویای بزرگش را به واقعیت بدل کند. هدفش ساختن یک مدل واقعی و کارآمد از مغز انسان و چگونگی فعالیت آن است٬از کوچترین سطح سیستم عصبی انسان یعنی سلولهای عصبی (نورون) تا بزرگترین سطح یعنی نیمکره های مغز؛ و در نهایت شبیه سازی آن در یک ابَر رایانه در ظرف مدت ده سال آینده



چهار سال پیش در سری کنفرانس های معروف تِدتاک در آکسفورد زمانی که او از ایده ی بکرش برای شناخت مغز حرف زد کمتر کسی او و ایده اش را جدی گرفت. حالا٬او توانسته اتحادیه اروپا را برای اجرای طرح بلندپروازانه اش مجاب کند و با دریافت بودجه ای معادل یک میلیارد و دویست میلیون یورو ماجراجویی عظیمش را آغاز نماید. این دست و دلبازی اروپایی ها البته تنها نتیجه اش جدی گرفته شدن ایده ی مرکرم از سوی بسیاری از همکارانش (بخصوص کسانی که قبلا او و ایده اش را نشدنی و غیرممکن می دانستند) نبود؛ بلکه به زعم بسیاری این آغاز رسمی "رقابت بر سر کشف مغز" است؛ چیزی شبیه به جنگ ستارگان و تلاش برای تسخیر فضا در دوران جنگ سرد اما با این تفاوت که این بار هدف نه کشف بخشی از کائنات٬بلکه کشف سازنده ی تمام شناخت و دانش ما از کائنات و اصلا خود ما آنهم درون سرماست! رقابتی که در یک طرف آن اروپایی ها و در طرف دیگر آمریکایی ها قرار دارند. باراک اوباما امیدوار است بتواند کنگره ی آمریکا را قانع کند تا هر چه سریعتر بودجه پیشنهادی سه میلیارد دلاریش را برای برنامه ی مشابه آمریکایی ها بنام "مغز" تصویب کند تا بیش از این از غافله عقب نمانند٬با این حال این رقابت از همین حالا آغاز شده و همگان می دانند که آثار و نتایج حاصل از آن و برتری در این مصاف علمی چه عواید سرشاری را در همه ی زمینه ها اعم از پزشکی٬اقتصادی٬نظامی و... به همراه خواهد داشت. شاید تنها پروژه ای که از نظر عظمت قابل قیاس با این پروژه باشد پروژه ی ژنوم انسانی بوده که هدفش تعیین توالی کد ژنتیکی انسان بود. حالا اما میتوان گفت که پروژه ی مغز انسان بزرگترین سرمایه گذاری تاریخ در این زمینه است و این طرح را تبدیل به عظیم ترین و پیشروترین پروژه ی تحقیقاتی علوم مغز و اعصاب در دنیا کرده و البته فعلا اروپایی ها را عملا جلوتر از آمریکایی ها و ژاپنی ها قرار داده است



مغز انسان بسیار پیچیده است٬بعبارت ساده تر "پیچیده ترین" سیستمی است که در کائنات وجود دارد. آگاهی ما از چگونگی عملکرد آن بسیار ناچیز است. از هزاران سال پیش انسان در تلاش برای کشف رازهای این عظمت اسرارآمیز بوده و حالا ظاهرا زمان آن رسیده تا سرانجام گامی بلند و اساسی را برای درک ناشناخته های آن برداریم 

در حیطه ی علوم مغز و اعصاب هر ساله حدودا یکصد هزار مقاله چاپ میشود با این حال متخصصین این رشته چنان درگیر گرایش های تخصصی مربوطه شده اند که خودشان هم اغلب به سختی میتوانند درک درستی از کار یکدیگر داشته باشند و این یعنی از هم گسیختگی در این رشته ی علمی. مرکرم میگوید: برای آنکه تنها یک شبکه ی عصبی موجود در مغز را بتوانیم بطور کامل درک کنیم نیازمند انجام بیست هزار آزمایشیم؛ در نظر بگیرید مغز نزدیک به صد میلیارد سلول عصبی و هزاران میلیارد اتصالات عصبی بین آنها را شامل میشود و این به بیانی ساده یعنی اینکه ما از راه آزمایشات تجربی هرگز قادر نخواهیم بود این ارتباطات و شبکه های عصبی را کشف و مشخص نماییم



خب انجام آزمایش برای کشف دونه به دونه ی این هزاران میلیارد ارتباط عصبی در مغز غیرممکن است اما اگر بتوانیم بجای این کار٬قوانین اساسی و اصول حاکم بر شکل گیری٬ساختار و عملکرد این مدارهای عصبی را درک کنیم چه؟! اگر بتوانیم از یک ابر رایانه استفاده کنیم تا هزاران هزار شبیه سازی عصبی مشابه آنچه در مغز اتفاق می افتد را در آن برنامه ریزی و اجرا کنیم تا بتوانیم بفهمیم این شبکه های عصبی چگونه شکل میگیرند و چه ساختار و عملکردی دارند و سپس نتایج حاصله را با اطلاعات واقعیِ زیستیِ حاصل از آزمایشات هدفمند مورد مقایسه و بررسی قرار دهیم؛ آن موقع چطور؟! در این صورت و (در حال حاضر) البته در قالب یک نظریه؛ خواهیم توانست چگونگی شکل گیری و همینطور ساختار شبکه های عصبی مغز و عملکردهای آنها را متوجه شده و پیش بینی نماییم و در واقع از آن برای مهندسی معکوس مغز بهره برداری کنیم. آنچه گفته شد٬بطور بسیار خلاصه و ساده ایده ی اصلی و بنیادین پروژه ی مغز انسان و بینش کلی هنری مرکرم و همکارانش برای انجام آن می باشد

مرکرم میگوید: حقیقت این است که ما هرگز نمیتوانیم نقشه فعالیت های مغز را از طریق آزمایشهای تجربی بدست آوریم و کسانی که هنوز این باور را دارند تنها خودشان را دارند گول می زنند. در عوض لازم است ما بدنبال اصول و قوانین پایه ای حاکم بر مغز و فعالیتهای آن باشیم و بعد میتوانیم از آن قواعد برای ساختن فرضیه های درست و معنادار راجع به چیزهایی که هرگز به چشم ندیده ایم و یا نخواهیم دید استفاده كنيم، سپس می بایست آن فرضیه ها را امتحان کنیم و قواعدی که کشف کرده ایم را در صورت لزوم اصلاح کنیم تا آن جایی که مدل بهتر و دقیق تری بدست آوریم. این تنها راه ماست و در غیر اینصورت همچنان در تاریکی سیر خواهیم کرد

برنامه ی عظیم مرکرم روش های مرسوم در مطالعات مغز و ذهن را پشت سر گذاشته و در نهایت میتواند انقلابی در این عرصه بوجود آورد: "ببینید حرف ما این است که اگر فکر میکنید میتوانید مغز و عملکرد آن را خودتان و در آزمایشگاهتان به تنهایی بفهمید،سخت در اشتباهید! برای انجام همچین پروژه ای ما باید بصورت گروهی و در تیم های تخصصی مختلفی کار کنیم و این اشتراک مساعی تنها راه اصولی برای پیمودن این مسیر دشوار است!" از سوی دیگر و از نقطه نظر چراییِ انجام این کار توسط وی ماجرا تم شخصی جالب تری نیز دارد. برای این استاد تمامِ دانشگاه پلی تکنیک لوزان، تنها و مهمترین انگیزه برای قبول این مسئولیت بزرگ و پیمودن این مسیر دشوار و طاقت فرسای ده ساله، صرفا جاه طلبی های شخصی و بلندپروازی های حرفه ایش نیست و دلیلی بزرگ تر و احساس برانگیزتر نه تنها در فکر او که در قلبش وجود دارد: بیماری اتیسم پسر کوچکش 



زمانی که پسرش "کای" با تشخیص سندروم آسپرگر (یکی از انواع اختلالات طیف اتیسم که در آن فرد در درک و برقراری روابط اجتماعی و تعاملات ارتباطی مختلف با دیگران و نیز بنوعی در رشد مهارت های گفتار و زبانش دچار اشکال میشود) مواجه شد او بلافاصله و با جدیت فراوان شروع به گرفتن اطلاعات و مشاوره های مختلف از متخصصینی زبده در سرتاسر جهان کرد. در نهایت شرایط فرزندش، پیچیدگی های بسیار زیاد و نه چندان شناخته شده ی این اختلالات و عدم وجود درمان قطعی برای آنها٬ چنان تاثیر عمیقی بر روی فکر و زندگیش گذاشت که تصمیم گرفت تا زمينه ى تحقیقاتیش را به مطالعه در زمینه ی اتیسم تغییر دهد و در نهایت او و همسرش (که او نیز یک نوروساینتیست است) دست به انجام سلسله آزمایش هایی زدند تا فرضیه ی جدیدی را در مورد این اختلالات بررسی کنند. یافته های وی نشان میداد که مغز افراد دچار این قبیل اختلالات، اتصالات عصبی بیشتری نسبت به افراد معمولی هم سن و سالشان دارد که در نتیجه ی این مساله در بسیاری از بخش های مغز انتقال جریان اطلاعات سریعتر از حالت عادی صورت میگیرد و این نتایج خاص خود را به همراه دارد. به گفته ی او: مغز فرد دچار اتیسم به شکلی متفاوت و بیشتر از یک فرد عادی عصب کشی شده است و آنها مغزی پرکارتر از سایرین دارند؛ این یعنی جریان بیشتر و سریعتر اطلاعات که یکی از نتایج اجتناب ناپذیر آن این است که فرد مجبور است به ناچار و برای محافظت از خود از دنیای اطرافش کنار کشیده و خود را منزوی نماید. به گفته ى خودش تلاش برای بدست آوردن درکی بهتر از این اختلالات و اینکه فرزندش و کسانی دیگر مانند او دنیا را چگونه در مغز خود میبینند و میفهمند و در نهایت کمک به او و سایرین، دلیل و عامل اصلی برای شناخت بهتر و جامع تر مغز و ورود او به این مسیر پر پیچ و خم بوده است

استفاده از اطلاعات نوروانفورماتیک برای مهندسی معکوس بخش هایی از مغز که از آنها اطلاعات بسیار کمی داریم تنها مرحله اول از این پروژه ی عظیم است. در مرحله دوم هدف ادغام شبیه ساز مغز با صفحاتی حاوی اطلاعات پزشکی و جذب تمام اطلاعات جامع مربوط به اختلالات روانی از بیمارستان های مختلف و همینطور از بانک های اطلاعاتی مربوطه در دانشگاه ها و شرکت های داروسازی می باشد. این اطلاعات بالینی شامل اطلاعات مربوط به هر دو گروه افراد عادی و بیمار می باشد و در نتیجه می تواند بصورت سیستماتیک گروه هایی از بیماران را که تغییرات مشابهی در ساختار و عملکرد مغزشان دارند شناسایی کند. بعد از این مرحله و زمانی که این تغییرات مورد شناسایی قرار گرفت، بنا بر اظهارات مرکرم، محققین مغز و اعصاب بهتر از قبل می توانند فرضیاتی را پیرامون عوامل زیستی زمینه ساز آن بیماریها طرح نموده و برای بررسی درستی آنها با استفاده از این  فن آوری شبیه سازی مغز دست به طرح و انجام آزمایشات لازم بزنند. "ما بدنبال جمع آوری اطلاعات بیشتر راجع به مشکلات و بیماریهای روانی نیستیم، ما بدنبال این هستیم که مجموعه ی اطلاعاتی که از این بیماریها داریم را بر روی میز بگذاریم و با کمک محاسبات ریاضی پیچیده شروع به بررسی روابط موجود بین این دانسته ها کنیم و به مکانیزم جامعی که در پس رفتار و عملکرد مغز وجود دارد دست یابیم. مرحله ی آخر داستان این خواهد بود که از این طبقه بندی مبتنی بر واقعیات زیستیِ جدید استفاده کنیم تا با عینی سازی تشخیص بیماریهای مختلف (از جمله اختلالات پیچیده روانی انسان) در مغز، ابزارهای تشخیصی جدیدی را طراحی کرده و استراتژیهای بهتر و مفیدتری را برای درمان آنها و تولید داروهای مرتبط بکار ببریم" با این حال این صحبت های مرکرم برای منتقدانش به راحتی قابل پذیرش نیست

بسیاری از منتقدینش اظهار می کنند بواسطه ی تفاوتی که در تجارب شخصی و زندگی افراد وجود دارد هر مغز با دیگری متفاوت است و علاوه بر این، شبکه های عصبی در مغز افراد مختلف ممکن است متفاوت باشد و حتا در مغز خود فرد نیز ساعت به ساعت و روز به روز (بواسطه ی کسب تجارب و آموزه های جدید روزمره) متغیر و متفاوت است. از سوی دیگر یکی از پیچیدگی های عمده ی داستان این است که پروژه ی مغز انسان برای اجرا شدن نیاز به توان محاسباتی نجومی و بسيار بالایی دارد و همین موضوع هم برای بسیاری از منتقدان بعنوان دلیل دیگری برای عدم کسب نتایج مورد انتظار این برنامه عنوان شده چرا که مطمئن نیستند توان ابر رایانه ها اقلا تا ۱۰ سال آینده امکان انجام چنین برنامه ای را بدهد. به نظر برخی از آنها حتا اگر بتوان یک مغز را با تمام پیچیدگی هایش شبیه سازی کرد کماکان دلیلی برای باور این موضوع وجود ندارد که شبیه سازی حاصله چیزی معادل مغز واقعی باشد. در نهایت بزرگترین انتقاد وارده این است که آیا واقعا یک مدل شبیه سازی شده ی کامپیوتری میتواند اصلا و اساسا جایگزینی برای تحقیقات تجربی و آزمایشگاهی مرسومِ سخت و پرهزینه باشد یا خیر؟



پاسخ مرکرم این است که او هرگز این ادعا را نمی کند که نهایتا برنامه ی شبیه ساز مغز وی میتواند جایگزین تحقیقات و آزمایش های مرسوم بر روی مغز انسان یا حیوانات قرار بگیرد، بلکه نکته ی اساسی اینجاست که استفاده از آن میتواند ایده های تحقیقاتی مفیدتر و آزمایشات هدفمندتر و سودمندتری را به ما عرضه کند. وی برای اثبات کارآیی پروژه ی مغز آزمایشگاه کوچکی دارد که در آن تیم تحقیقاتیش بر روی بخش بسیار کوچکی از مغز موش (به اندازه سر سوزن) که حدودا شامل ۳۰۰۰۰ نورون و هزاران اتصالات بین نورونی است کار می کند و تنها بخش بسیار کوچک و ناچیزی از آن به کمک آزمایش های مرسوم مورد بررسی قرار گرفته است. اما او با جمع آوری اطلاعات لازم و استفاده از ابر رایانه قدرتمند بلوجین شرکت آی بی ام (که از طرف دولت سوئیس به آزمایشگاهش هدیه داده شده) توانسته شبیه سازی کامپیوتری مورد نظر خود را انجام داده (و کماکان در حال انجام است) و از این طریق دست به پیش بینی ساختار مدارهای عصبی در بخش هایی که هیچ اطلاعات آزمایشگاهی از آن نداشته اند بزند و اطلاعات ارزشمندی را بدست آورد. در مرحله ی نهایی این اطلاعات و مدل های بدست آمده از طریق شبیه سازی های کامپیوتری را از طریق مقایسه با نتایج حاصل از انجام آزمایش هایی واقعی بر روی مغز موش ها تصحیح و کامل مینمایند

طبق اعلام رسمی "پروژه ی مغز انسان" متشکل از ۱۳۰ پژوهشگر در زمینه های مختلف مرتبط با علوم مغز و ذهن از ۸۰ مرکز تحقیقاتی گوناگون در سراسر اروپا و انگلستان است و هماهنگی آنها توسط موسسه پلی تکنیک فدرال لوزان صورت می گیرد. برای انجام این پروژه، مجموعه ی متنوعی از متخصصین شامل متخصصین علوم مغز و اعصاب، پزشکان، مهندسین کامپیوتر و متخصصین علوم رباتیک در شش زمینه تحقیقاتی شامل نوروانفورماتیک، شبیه سازی مغز، محاسبات بسیار پیچیده، اطلاعات پزشکی، محاسبات نورومورفیک و نوروروباتیک فعالیتشان را آغاز کرده اند؛ در حالیکه از قبل نقشه راه، روش های مورد نظر و ابزار و تکنولوژی های لازم برای رسیدن به اهداف مورد نظرشان تدارک دیده شده است. همینطور چند موسسه دیگر در خارج از اروپا نیز با آنها همکاری خواهند کرد از جمله انستیتو علوم مغز آلن در سیاتل آمریکا (که مشغول انجام پروژه هایی نظیر پروژه ی اتصالات عصبی مغز هستند که در آن بوسیله تکنیک های تصویربرداری مغز در حال تکمیل نقشه ارتباطات عصبی بخش های مختلف مغز انسان می باشند) و از اطلاعات و یافته های آنها در این برنامه استفاده خواهد شد



پروژه ی مغز انسان اصلا و اساسا یک "پروژه یکپارچه سازی اطلاعات" است و نه صرفا "یک پروژه ی تولید اطلاعات" هرچند که به هر حال در جریان آن مسلما تولید اطلاعات به میزانی انبوه (شاید معادل هزاران مقاله علمی در سال) صورت خواهد پذیرفت. راجع به مدت زمان انجام این برنامه خود مرکرم اعتراف میکند که تعیین یک بازه زمانی ده ساله به نظر کمی خوشبینانه می آید اما بر کسی پوشیده نیست که در آغاز برنامه ی عظیمی نظیر پروژه ی ژنوم انسانی هم تخمین زده میشد که انجامش ۱۵ سال بطول خواهد انجامید حال آنکه در ظرف تنها ۱۰ سال به پایان رسید

پروفسور استیو فربر یکی از اعضای دیگر این پروژه می گوید: دلایل بسیاری برای ايجاد شک و تردید درباره ی این که آیا پروژه سرانجام میتواند عملکرد کلی مغز انسان را ترسیم کند یا خیر، وجود دارد. ولی ما به کار خود ادامه میدهیم چرا که حتی اگر نتوانیم نهایتا در طول بازه زمانی درخواستی به اهداف اصلی خود برسیم، مطمئناً در طول این مدت پیشرفتهای خوبی را در زمینه های پزشکی، محاسباتی و اجتماعی بدست خواهیم آورد 

به هر صورت اینکه انجام این پروژه حاصلی چون رسیدن به هدف بسیار بزرگ شناخت کامل مغز و چگونگی فعالیتهای آن را برای ما به ارمغان آورد یا نه در حال حاضر برای ما مشخص نیست و محل گمانه زنی های بسیار است، اما بی گمان از یک چیز میتوان مطمئن بود و آن این است که در نهایت این پروژه چیزهای بسیاری را راجع به ساز و کار مغز به ما خواهد گفت و آموخت و بعبارتی بهتر بسیار غیرمحتمل خواهد بود اگر نتایج سودمند بسیاری در زمینه های مختلف حاصل نشود






1 comment: