پدر علوم اعصاب مدرن و کشف واحد اساسی سیستم عصبی

برای سال‌ها، سانتیاگو رامون ئی کاخال (Santiago Ramón y Cajal) ساعت‌ها را تنها در آزمایشگاه خود می‌گذراند. با سری خمیده و پشتی قوز کرده، با چشم‌های سیاهش به چشمی میکروسکوپ خود خیره می‌شد؛ تنها وسیله‌ای که او را به دنیای بیرون متصل می‌کرد.

پیشانی عریض و بینی منقاری‌اش به او چهرهٔ یک مرد شاخص و سلطنتی می‌داد، علی‌رغم این که سرش مانند یک کشیش طاس بود. تنها چیزی که برای مهمانانش داشت بطری‌هایی شیشه‌ای با ابعاد و شکل‌های متفاوت و حاوی پودرها و مایعات رنگی بود که با چوب‌پنبه بسته شده بودند.

روی صندلی‌ها مجلات و دفترهای یادداشت انباشته شده بود و جایی برای نشستن کسی پیدا نمی‌شد. طرح‌ها و نقاشی‌های رومیزی جای خود را به رنگ، جوهر و خون داده بودند.

اسلایدهای رنگی و شفاف، انباشته از برش‌های بافت‌های عصبی حیوانات قربانی‌شده که با مواد شیمیایی تازگی‌شان حفظ شده بود، روی میزکار پراکنده شده بودند.

کاخال با انگشتان دست چپ خود اسلایدها را مانند یک نقاشی مینیاتور زیر لنز میکروسکوپ تنظیم می‌کرد. با دست راست خود پیچ برنجی میکروسکوپ را می‌چرخاند و با غُرهای فراوان تصویر را به حالت فوکوس در می‌آورد.

جسم‌های قهوه‌ای-سیاه شبیه به لکه‌های جوهر با دنباله‌های درخشان و رشته‌مانند در پس‌زمینه‌ای زرد و شفاف. با این تصویر منظرهٔ شگفت‌انگیز مغز بالاخره برای او آشکار شد؛ واقعی‌تر از چیزی که می‌توانست تصور کند.

در اواخد قرن ۱۹ اکثر دانشمندان عقیده داشتند که مغز از یک تودهٔ پر پیج و خم و هزارتو مانند فیبر تشکیل شده است. کاخال اولین مدرک واقعی را که نشان می‌داد مغز از سلول‌های تکی (که بعدها نورون نامیده شدند) تشکیل شده است که اساسا تفاوتی با سلول‌های باقی جهان زنده ندارند.

او باور داشت که نورون‌ها به عنوان واحدهای ذخیره‌سازی فعالیت‌های ذهنی نظیر افکار و احساسات عمل می‌کنند و در نتیجه تجربهٔ زنده بودن به ما القا می‌شود.

او می‌نویسد «شناختن مغز معادل است با شناسایی مسیر مادی افکار و اراده.» کاخال اعلام می‌کند که بالاترین ایده‌آل برای یک بیولوژیست حل معمای خود است. او فکر می‌کرد که در ساختار نورون‌ها خانهٔ خودآگاهی را پیدا کرده است.

کاخال بنیان‌گذار علوم اعصاب مدرن شناخته می‌شود. تاریخ‌دانان او را در کنار پاستور و داروین به عنوان یکی از بزرگترین بیولوژیست‌های قرن ۱۹ و در کنار کوپرنیک، گالیله و نیوتون به عنوان یکی از بزرگترین دانشمندان تاریخ قرار می‌دهند.

شاهکار او، بافت سیستم عصبی انسان و مهره‌داران (Texture of the Nervous System of Man and the Vertebrates)، یکی از کتاب‌های بنیادی علوم اعصاب است؛ مشابه منشأ گونه‌ها اثر داروین در رشته بیولوژی تکاملی.

کاخال در سال ۱۹۰۶ به خاطر کار متعهدانه و دلسوزانهٔ خود روی ساختار اعصاب، تولد، رشد، زوال و مرگ آن‌ها، طوری که گویی موجوداتی انسانی هستند، جایزهٔ نوبل دریافت کرد.

او هزاران نقاشی زیبا و پیچیده از نورون‌ها تهیه کرد که امروزه نیز در کتاب‌های نوروآناتومی چاپ می‌شوند و در موزه‌ها به نمایش در می‌آیند. به گفته خود او «تنها هنرمندان حقیقی جذب علم می‌شوند.» با گذشت بیش از هزار سال از جایزهٔ نوبل کاخال، ما دانش خود از ظاهر سیستم عصبی را مدیون او هستیم.

یک حقیقت جدید

در دوران کاخال، پیشرفته‌ترین روش برای به تصویر کشیدن سلول‌ها بافت‌شناسی بود؛ فرایندی ظریف و حساس رنگ‌آمیزی بافت‌های تشریح شده با موادی شیمیایی که مولکول‌هایشان به معماری ریز سلول‌ها می‌چسبیدند و آن‌ها را زیر یک میکروسکوپ نوری آشکار می‌کردند.

با وجود رنگ‌های ابتدایی، دانشمندان سرتاسر اروپا در تلاش برای تشخیص ماهیت چیزی که در مغز (اندامی که اندام ذهن در نظر گرفته می‌شد) وجود داشت ناکام ماندند.

سپس در سال ۱۸۷۳، در آشپزخانهٔ آپارتمانی در آبیاته‌گراسو در خارج از میلان، کامیلو گلجی (Camillo Golgi)، دانشمند ایتالیایی، از روی شانس و مهارت به یک تکنیک دست یافت که نوروآناتومی را دگرگون کرد.

گلجی در نامه‌ای به یک دوست نوشت «من به نتایج خارق‌العاده‌ای دست یافته‌ام و امیدوارم که در آینده نیز بهتر شود.» او متد خود را به اندازه‌ای قدرتمند می‌دانست که حتی می‌توانست ساختار بافت مغز را برای نابینایان آشکار کند. گلجی این دستاورد را واکنش سیاه نامید.

کاخال، که برای اولین بار این تکنیک را در خانهٔ یکی از همکارانش که تازه از پاریس بازگشته بود، دیده بود، شگفت زده شد. او در خاطرات خود این‌گونه می‌نویسد:

«روی پس‌زمینهٔ کاملا ضفاف و زرد، رشته‌های پراکندهٔ سیاهی پدیدار شدند که نرم و نازک یا زیر و ضخیم بودند، مثل ستاره‌هایی سه‌گوشه یا جسم‌هایی دوک‌مانند! می‌شد آن‌ها را مانند طراحی‌هایی با جوهر چینی روی کاغذهای شفاف ژاپنی تصور کرد … اینجا همه چیز ساده، واضح و مرتب بود … نمی‌شد چشم از این خلسه برداشت. این تکنیک رویایی یک واقعیت است!»

با این که واکنش سیاه تعداد عناصر عصبی قابل مشاهده زیر یک اسلاید میکروسکوپ را کاهش داد، این عناصر همچنان فشرده‌تر از آن بودند که فیبرهای آن‌ها را بتوان از هم تمییز داد.

به طور متداول، پژوهشگران بافت‌های عصبی را در سیستم عصبی افراد بالغی می‌دیدند که بعد از عمر زیاد به طور طبیعی مرده بودند. مشکل اینجا بود که در سیستم عصبی بزرگسالان فیبرها به طور کامل رشد یافته و در پیچیده‌ترین حالت ساختاری خود بودند.

کاخال برای حل این مشکل به رویان‌شناسی (Embryology) یا رشدشناسی (Ontogeny) روی آورد. او می‌گوید «اگر روند طبیعی را به طور برعکس ببینیم، جای تعجب نیست که در یابیم بسیاری از پیچیدگی‌های ساختاری سیستم عصبی به مرور محو می‌شوند.»

در سیستم عصبی نمونه‌های جوان‌تر سلول‌ها از لحاظ نظری ساده‌تر هستند، فیبرها کوتاه‌تر و کمترند و تشخیص ارتباط بین آن‌ها ساده‌تر است.

همچنین سیستم عصبی با روش رویان‌شناختی سازگاری خوبی دارد، چون با رشد آکسون‌ها، غلاف‌های میلین ــ لایه‌های پوشاننده از جنس چربی و پروتئین ــ تشکیل می‌شوند که میکروکریستال‌های نقره را به عقب می‌رانند و از رنگ‌آمیزی شدن فیبرهای داخل‌شان جلوگیری می‌کنند. آکسون‌های جوان بدون غلاف‌های ضخیم رنگ را کامل جذب می‌کنند.

علاوه بر این، آکسون‌های بالغ، که برخی اوقات تا چند ده سانتی‌متر رشد می‌کنند، می‌توانند در فرایند برش‌زنی قطع شوند. کاخال می‌نویسد «از آنجا که یک جنگل بالغ غیر قابل نفوذ و تشخیص‌ناپذیر می‌شود، چرا به مطالعهٔ جنگل‌های جوان و در حال رشد روی نیاوریم؟»

کاخال در سن ۳۶ سالگی به سرگرمی مورد علاقه‌اش در کودکی باز گشت: جوجه‌کشی. اما این بار به جای انتظار و دیدن دگردیسی جوجه‌های تازه متولد شده، بعد از چند روز پوستهٔ تخم‌ها را می‌برید و جنین‌ها را از آن خارج می‌کرد.

بافت‌های جنینی ظریف‌تر از آن بودند که فشار گیره‌های میکروتوم را تحمل کنند. بنابراین کاخال با نگه داشتن بافت بین انگشت‌های شست و اشاره دست چپ خود تکه‌هایی را با یک تیغ ریش‌تراشی جدا می‌کرد ــ او در جوانی در کنار یک آرایشگر به شاگردی پرداخته بود، اما هیچگاه تصور نمی‌کرد که روزی از این مهارت خود اینگونه استفاده کند.

یکی از دانشجویان کاخال در بارسلونا که با او در آزمایشگاه کار می‌کرد، اذعان می‌کند که تکه‌های دست‌بریدهٔ او ــ که اغلب بین ۱۵ تا ۲۰ میکرون ضخامت داشتند ــ به بی‌نقصی آن‌هایی بودند که با دستگاه بریده می‌شد.

کاخال در آوریل ۱۸۸۸ نمونه‌هایی از مخچهٔ یک جنین سه روزهٔ کبوتر تهیه کرد. او از لنز میکروسکوپ خود به یک آکسون واضح و ریز خیره شد که از پایهٔ سلول ــ یک برآمدگی مخروطی و نرم روی بدنهٔ سلول ــ به پایین انحنا ادامه پیدا می‌کرد.

آکسون مسیری منحنی را در بین سلول‌های زیرین خود دنبال می‌کرد و در نهایت چندشاخه می‌شد. در چشم کاخال، سلول‌های پورکنژ (Purkinje) زیر واکنش سیاه همچون «ظریف‌ترین و پربرگ‌ترین درخت‌ها» دیده می‌شدند.

او یک شاخه را از بدنهٔ «مروارید مانند» سلول تا انتها دنبال کرد؛ جایی که به دیگر سلول‌ها (سلول‌های ستاره‌ای)، که هرکدام شکلی شبیه به «سبد» تشکیل می‌دادند، ختم می‌شد.

با وجود ارتباط نزدیک، «مروارید» یک سلول و «سبد» سلول دیگر هیچ تماسی با هم نداشتند. در ذهن کاخال یک «حقیقت جدید» شکل گرفت: سلول‌های اعصاب آزادانه به انتها می‌رسیدند. آن‌ها سلول‌هایی منفرد و جدا بودند.

جنگل در هم پیچیده

از زمانی که دانشمندان در دوران باستانی شروع به مطالعهٔ سیستم عصبی کردند، همواره تمایل داشتند تا ساختار آن را با تکنولوژی‌های معاصر خود مقایسه کنند.

مصریان باستان در پوشش بیرونی مغز، با شکاف‌ها و پیچ‌خوردگی‌هایش، سرباره‌های به جا مانده از ذوب سنگ آهن را می‌دیدند. یونانیان باستان فکر می‌کردند مغز مثل یک منجنیق عمل می‌کند.

رنه دکارت باور داشت که روح حیوانات از مغز به اعصاب توخالی جریان می‌یابند و عضلات را منقبض می‌کنند؛ درست مثل حرکت مایعات هیدرولیک از طریق ماشین‌ها در باغ‌های سلطنتی سنت ژرمن.

در قرن ۱۹ با فرا رسیدن دوران جدید حمل و نقل، اتو دایترز (Otto Deiters)، همانند بسیاری از آناتومیست‌های دیگر هم‌عصر خود، سیستم عصبی را مانند یک راه‌آهن در نظر می‌گرفت که جریان ترافیک در تقاطع‌های به نقاط مختلف منتقل می‌شود.

در میانه‌های قرن ۱۹، استعارهٔ راه‌آهن جای خود را به یک پیشرفت تکنولوژی دیگر داد: تلگراف. مکتب بیوفیزیک آلمانی، به رهبری هرمان فون هلمهولتز (Hermann von Helmholtz) و امیل دو بوا ریمون (Emil du Bois-Reymond)، مسئول این تغییر بود.

دو بوا ریمون در یک سنخرانی در سال ۱۸۵۱ گفت «شگفتی زمان ما، تلگراف الکترونیکی، از مدت‌ها پیش در حیوانات مدل شده بود.» او استدلال می‌کرد که شباهت بین سیستم عصبی و تلگراف الکتریکی بسیار عمیق است: «این چیزی بیشتر از شباهت است. این دو با هم خویشاوند هستند، توافقی نه تنها در آثار، بلکه شاید در علت‌ها.»

از آن طرف، مهندسانی که شبکه‌های تلگراف را طراحی کرده بودند، از جمله ساموئل مورس (Samuel Morse) و ورنر فون زیمنس (Werner von Siemens)، سیستم بیولوژیکی عصبی را به عنوان مدلی برای مرکزگرایی و سازمان‌دهی در نظر می‌گرفتند.

با وجود سفر مردم بین کشورها برای اولین بار و برقراری ارتباط در سطح جهانی، اتصال کشورها به هم به یک ایده‌آل اجتماعی تبدیل شد.

کاخال، که در یک روستای پیشاصنعتی بزرگ شده بود، در سیستم عصبی تصاویر طبیعی کودکی خود را دید. او می‌پرسد «آیا در باغ‌های ما درختی ظریف‌تر و پربرگ‌تر از پورکنژهای مخچه یا سلول روان، یا به عبارت دیگر، هرم مغزی معروف وجود دارد؟»

او شاخه‌های آکسون‌ها را مانند «خزه‌ها و بوته‌های روی یک دیوار» می‌دید که اغلب اوقات با «یک ریشهٔ کوتاه و ظریف شبیه به گل» همراه هستند؛ او یک سال بعد اصطلاح «فیبرهای خزه‌ای» را مطرح کرد.

او در یافت که این فیبرها با «گل‌های رزی» به پایان می‌رسند که به دندریت‌های (شاخه‌های) دیگر سلول‌ها نزدیک می‌شوند اما همچنان با آن‌ها تماس ندارند. این‌ها «ته لانه» یا «فیبرهای بالارونده» هستند که «مانند پیچک یا تاک به بدنهٔ یک درخت می‌چسبند.»

گذشته از همهٔ این‌ها، به نظر می‌رسید که سلول‌ها مانند «جنگلی از درخت‌های بلند» هستند. مادهٔ خاکستری یک «باغ میوه» هستند و سلول‌های هرمی «بیشه‌ای نفوذناپذیر» را تشکیل می‌دهند.

کاخال با مقایسهٔ پیچیدگی یک «جنگل بالغ» و یک «جنگل جوان» دریافت که قشر مغز یک «جنگل ترسناک» است؛ درست مثل جنگل‌های کوبا زمانی که در جنگ ۱۰ ساله شرکت کرده بود.

او عقیده داشت که انسان‌ها می‌توانند با قدرت ارادهٔ خود این «جنگل در هم تنیدهٔ اعصاب» را به «یک باغ منظم و دلپذیر» تبدیل کنند. مناظر توسعه نیافته محل زندگی کاخال در کودکی، بینشی متفاوت با هم‌عصرانش برای او به ارمغان آورده بود.

با این که کاخال به طور پراکنده به استعارهٔ تلگراف رجوع می‌کرد، اما در کنفرانس بین‌المللی پزشکی ۱۸۹۴ در رم این استعاره را به کل رد کرد. مخالفت او ریشه در یافته‌های آناتومیکی و بینش‌های ذهنی‌اش ریشه داشت.

او می‌دانست که می‌تواند ذهن خود را تغییر دهد. به همین علت با استعارهٔ شبکه، که ساختاری ثابت داشت، مخالفت می‌کرد. به عقیدهٔ سیستم عصبی باید بتواند تغییر کند و این تغییر برای حیات مغز حیاتی است.

یکی از عباراتی که کاخال بسیار از آن استفاده می‌کرد «شکل‌پذیری» بود. با این که او اولین کسی نبود که این اصطلاح را به کار برد، اما احتمالا سخنرانی او در رم باعث محبوب شدن این اصطلاح شد.

این ایده همچنان یکی از ماندگارترین مشارکت‌های کاخال در علم به شمار می‌رود که تحت تاثیر دیدگاه منحصر به فرد و غیر معمول او از دنیا بود.