وقتی مغز به حالت کم‌مصرف می‌رود؛ چگونه محرومیت از انرژی حواس ما را ضعیف می‌کند؟
وقتی شارژ تلفن‌ها و کامپیوترهای ما تمام می‌شود، صفحه‌‌نمایش‌های درخشان آن‌ها تاریک می‌شود و به نوعی مرگ دیجیتالی فرو‌می‌روند. بااینحال، اگر برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی آن‌ها را به حالت کم‌مصرف تغییر دهید، عملیات غیرضروری را متوقف می‌کنند تا فرایندهای اصلی ادامه پیدا کند، تا وقتی باتری‌های آن‌ها را دوباره شارژ کنید. مغز پرمصرف ما نیز باید در چنین شرایطی سرپا بماند. سلول‌های مغز به تحویل مستمر گلوکز نیاز دارند که آن را به آدنوزین‌تری‌فسفات (ATP) تبدیل می‌کنند تا انرژی موردنیاز برای پردازش اطلاعات خود را تأمین کنند.
وقتی کمی گرسنه باشیم، مغز معمولاً میزان مصرف انرژی خود را تغییر نمی‌دهد؛ اما با‌‌‌توجه‌‌‌‌به اینکه انسان‌ها و حیوانات دیگر ازلحاظ تاریخی با تهدید دوره‌های طولانی گرسنگی و گاهی گرسنگی فصلی روبه‌رو بوده‌اند، دانشمندان کنجکاو بودند که آیا مغز ممکن است برای مواقع اضطراری حالت کم‌مصرف داشته باشد. در مقاله‌ای که ماه ژانویه در مجله‌ی Neuron منتشر شد، دانشمندان علوم اعصاب در آزمایشگاه ناتالی روشفور در دانشگاه ادینبرو نوعی استراتژی صرفه‌جویی در مصرف انرژی را در سیستم بینایی موش کشف کردند.
دانشمندان دریافتند که وقتی موش‌ها برای چندین هفته به غذای کافی دسترسی نداشتند (به‌اندازه‌ای که ۱۵ تا ۲۰ درصد از وزن سالم خود را از دست می‌دادند)، نورون‌های قشر بینایی آن‌ها مقدار ATP استفاده‌شده در سیناپس‌ها را ۲۹ درصد کاهش می‌داد. حالت جدید پردازش با هزینه‌ای برای ادراک همراه بود که بر نحوه دیدن جزئیات تأثیر منفی گذاشت.
ازآن‌‌جاکه نورون‌ها در حالت کم‌مصرف سیگنال‌های بصری را با دقت کمتری پردازش می‌کردند، موش‌هایی که دچار محدودیت غذایی بودند، درمقایسهبا بقیه‌ی موش‌ها عملکرد ضعیف‌تری در انجام وظیفه‌ی بصری چالش‌برانگیز داشتند.
زاهد پادامسی، نویسنده‌ی نخست مطالعه‌ی جدید، گفت وضوح تصویری که در حالت کم‌مصرفِ مغز می‌بینید، کمتر از حالت عادی است. پژوهش جدید تحسین دانشمندان علوم اعصاب را برانگیخته است؛ ازجمله دانشمندانی که فرایندهای حسی و شناختی غیرمرتبط با بینایی را مطالعه می‌کنند که می‌تواند بهطورمشابه براثر محرومیت انرژی تغییر کند.
این امر می‌تواند پیامدهای مهمی برای درک این مسئله داشته باشد که چگونه سوء‌تغذیه یا حتی برخی از اشکال رژیم غذایی ممکن است بر ادراک فرد از جهان تأثیر بگذارد. همچنین، سؤالاتی درباره‌ی استفاده‌ی گسترده از محدودیت غذایی برای ایجاد انگیزه در حیوانات در مطالعات علوم اعصاب ایجاد و این احتمال را مطرح می‌کند که درک پژوهشگران از ادراک و رفتار با مطالعه‌ی نورون‌ها در حالت کمتر از حد بهینه و در وضعیت کم‌مصرف تحریف شده باشد.
غذای کمتر، دقت کمتر
اگر تا‌به‌حال احساس کرده‌اید که وقتی گرسنه هستید، نمی‌توانید روی کارتان تمرکز کنید یا تنها چیزی که می‌توانید به آن فکر کنید، غذا است، شواهد عصبی از شما حمایت می‌کنند. پژوهشی که چند سال پیش انجام شد، تأیید کرد که گرسنگی کوتاه‌مدت می‌تواند پردازش عصبی را تغییر دهد و توجه ما را به روش‌هایی منحرف کند که ممکن است به ما کمک کند سریع‌تر غذا را پیدا کنیم.
در سال ۲۰۱۶، کریستین برگس، عصب‌شناس دانشگاه میشیگان و همکارانش دریافتند که وقتی موش‌ها تصویری را می‌دیدند که با غذا ارتباط داشت، درصورت گرسنگی، ناحیه‌ای از قشر بینایی آن‌ها فعالیت عصبی بیشتری را نشان می‌داد؛ ولی فعالیت این ناحیه پس از خوردن غذا، کاهش پیدا می‌کرد. بهطورمشابه، مطالعات تصویربرداری که روی انسان‌ها انجام شده، نشان داده است وقتی افراد شرکت‌گننده گرسنه باشند، درمقایسهبا زمانی که غذا خورده باشند، تصاویر غذا موجب پاسخ قوی‌تری در برخی از نواحی مغز می‌شود.
برگس گفت گرسنه باشید یا نباشید، فوتون‌هایی که به شبکیه‌ی چشم شما برخورد می‌کنند، یکسان هستند. بااینحال، بازنمایی آن در مغز بسیار متفاوت است؛ زیرا بدن می‌داند به چیزی نیاز دارید و توجه شما را به‌سمتی هدایت می‌کند که آن نیاز را ارضا کنید. پس از چند ساعت گرسنگی چه اتفاقی می‌افتد؟ پژوهشگران دریافتند که مغز ممکن است با کاستن از انرژی‌خواه‌ترین فرایندهای خود، روش‌هایی برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی داشته باشد.
اولین شاهد محکم در این زمینه، سال ۲۰۱۳ از مغز کوچک مگس‌ها به‌دست آمد. پیر ایو پلسی و توماس پریات از مرکز ملی تحقیقات علمی فرانسه و مؤسسه‌ی آموزش عالی شیمی و فیزیک صنعتی شهر پاریس کشف کردند که وقتی مگس‌ها گرسنه هستند، یک مسیر مغزی که برای تشکیل نوعی حافظه‌ی طولانی‌مدت نیاز است و انرژی زیادی مصرف می‌کند، خاموش می‌شود. وقتی آن‌ها کاری کردند که مسیر مذکور فعال شود و خاطرات را تشکیل دهد، مگس‌های گرسنه خیلی سریع‌تر مُردند. این نتیجه نشان می‌دهد توقف این فرایند موجب صرفه‌جویی در مصرف انرژی و حفظ زندگی مگس‌ها می‌شد.
بااینحال، مشخص نبود که آیا مغزهای بزرگ‌تر و ازنظر شناختی پیچیده‌ی پستانداران نیز کار مشابهی انجام می‌دهند یا خیر. همچنین، مشخص نبود که آیا مانند مگس‌ها حالت صرفه‌جویی در مصرف انرژی قبل از گرسنگی شدید فعال می‌شود یا نه. دلیلی وجود داشت که ممکن بود فکر کنیم چنین چیزی ممکن است رخ ندهد: اگر انرژی استفاده‌شده برای پردازش عصبی خیلی زود قطع شود، توانایی حیوان برای پیدا‌کردن و تشخیص غذا نیز ممکن است درمعرض خطر قرار گیرد. مقاله‌ی جدید برای اولین‌بار به این مسئله می‌پردازد که هنگام کمبود طولانی‌مدت غذا، مغز ازنظر مصرف انرژی چگونه سازگاری پیدا می‌کند.
پژوهشگران طی دوره‌ای سه‌هفته‌ای مقدار غذای دردسترس گروهی از موش‌ها را محدود کردند تا زمانی‌که آن‌ها ۱۵ درصد از وزن بدنشان را از دست دادند. موش‌ها در حد مرگ گرسنگی نکشیدند و پژوهشگران درست پیش از انجام آزمایش‌ها به موش‌ها غذا دادند تا از تغییرات عصبی وابسته به گرسنگی کوتاه‌مدتی جلوگیری کنند که برگس و پژوهشگران دیگر مشاهده کرده بودند. بااینحال، موش‌ها به‌اندازه‌ی موردنیاز خود انرژی دریافت نمی‌کردند.
سپس، پژوهشگران ارتباطات بین نورون‌های موش‌ها را زیرنظر قرار دادند. آنان وقتی موش‌ها تصاویری از میله‌های سیاه با زوایای مختلف را می‌دیدند، تعداد جهش‌های ولتاژ را که به‌وسیله‌ی تعدادی از نورون‌های قشر بینایی ارسال می‌شد، اندازه‌گیری کردند. نورون‌ها در قشر بینایی اولیه به خطوط با جهت‌گیری‌های ترجیحی پاسخ می‌دهند. برای مثال، اگر جهت‌گیری ترجیحی یک نورون ۹۰ درجه باشد، آن نورون وقتی یک محرک بصری عناصری با زاویه حدود ۹۰ درجه داشته باشد، اسپایک‌های مکرری ارسال می‌کند؛ اما وقتی زوایه خیلی بزرگ‌تر یا خیلی کوچک‌تر می‌شود، این نرخ کاهش پیدا می‌کند. اسپایک همان ظرفیت عمل است که روی غشای سلول عصبی پدید می‌آید و در طول اکسون حرکت می‌کند و وظیفه‌ی پیام‌رسانی را بر‌عهده دارد.
نورون‌ها فقط زمانی می‌توانند اسپایک را ارسال کنند که ولتاژ داخلی آن‌ها به آستانه‌ی خاصی برسد که آن‌ها با پمپاژ یون‌های سدیم دارای بار مثبت به داخل سلول به آن دست پیدا می‌کنند؛ اما پس از اسپایک، نورون‌ها باید تمام آن یون‌های سدیم را به بیرون بفرستند. در سال ۲۰۰۱، دانشمندان عصب‌شناس متوجه شدند این وظیفه (فرستادن یون‌های سدیم به خارج از سلول) یکی از انرژی‌خواه‌ترین فرایندهای مغز است.
پژوهشگران این فرایند پرهزینه را به‌دنبال شواهدی از ترفندهای صرفه‌جویی در مصرف انرژی مطالعه کردند و مشخص شد در جای خوبی به‌دنبال آن می‌گردند. نورون‌ها در موش‌های محروم از غذا جریان‌های الکتریکی را کاهش دادند که در طول غشایشان حرکت می‌کرد؛ بنابراین، مجبور نبودند انرژی زیادی را صرف بیرون‌راندن یون‌های سدیم پس از اسپایک کنند. ممکن است انتظار برود که ورود سدیم کمتر به اسپایک‌ها کمتری منجر شود؛ اما موش‌های محروم از غذا همچون موش‌های به‌خوبی تغذیه‌شده نرخ مشابهی از اسپایک را در نورون‌های قشر بینایی‌شان حفظ کردند. بنابراین، پژوهشگران به جست‌وجوی فرایندهای جبرانی برآمدند که موجب حفظ این نرخ می‌شد.
آنان دو تغییر را پیدا کردند که هر دو تولید اسپایک را برای نورون‌ها آسان‌تر می‌کرد. اول اینکه نورون‌ها مقاومت ورودی خود را افزایش دادند. این امر موجب کاهش جریان در سیناپس‌های آن‌ها شد. آنان همچنین ظرفیت استراحت غشای خود را افزایش دادند؛ به‌طوری‌که از‌قبل به آستانه‌ی موردنیاز برای ارسال اسپایک نزدیک بود. آنتون آرخیپوف، دانشمند عصب‌شناسی محاسباتی از مؤسسه‌ی علوم مغز آلن در سیاتل گفت:
به‌نظر می‌رسد که مغز همه‌ی تلاش خود را به‌کار می‌بندد تا نرخ شلیک نورون‌ها را حفظ کند. این امر نشان می‌دهد حفظ نرخ شلیک نورون‌ها بسیار مهم است؛ چراکه اگر این‌طور نباشد، مغز ممکن است بتواند با شلیک اسپایک‌های کمتر، به‌آسانی در مصرف انرژی صرفه‌جویی کند.
ثابت نگه‌داشتن نرخ اسپایک به‌معنای قربانی‌کردن چیز دیگری است: نورون‌های قشر بینایی در موش‌ها نمی‌توانستند دربرابر جهت‌گیری‌های خطوطی که موجب شلیک آن‌ها می‌شد، انتخابی عمل کنند؛ بنابراین، دقت پاسخ آن‌ها کمتر می‌شد.
دید با وضوح پایین
پژوهشگران برای بررسی این مسئله که آیا ادراک بصری تحت‌تأثیر کاهش دقت نورون‌ها قرار می‌گرفت یا نه، موش‌ها را در محفظه‌ای زیر آب با دو راه‌رو قرار دادند که هریک با تصویر متفاوتی از میله‌های سیاه زاویه‌دار روی پس‌زمینه سفید علامت‌گذاری شده بود. یکی از راه‌روها سکوی مخفی داشت که موش‌ها می‌توانستند از آن برای خارج‌شدن از آب استفاده کنند. موش‌ها یاد گرفتند که سکوی پنهان را با تصویری از میله‌ها با زاویه خاص مرتبط کنند؛ اما پژوهشگران می‌توانستند با شبیه‌تر‌کردن زوایا انتخاب راهروی درست را دشوارتر کنند.
وقتی تفاوت بین تصاویر درست و غلط زیاد بود، موش‌های محروم از غذا به‌راحتی سکو را پیدا می‌کردند؛ اما زمانی‌که تفاوت بین زوایای نشان‌داده‌شده در تصاویر کمتر از ۱۰ درجه بود، موش‌های محروم از غذا دیگر نمی‌توانستند به‌خوبیِ موش‌های تغذیه‌شده آن‌ها را ازهم تشخیص دهند. پیامد صرفه‌جویی در انرژی، دیدی با وضوح کمتر از جهان بود. نتایج نشان می‌دهد مغز عملکردهایی حیاتی برای بقا را در اولویت قرار می‌دهد. توانایی درک تفاوت ۱۰ درجه‌ای در جهت‌گیری میله‌ها احتمالاً برای پیدا‌کردن میوه‌های نزدیک یا شکارچی در حال نزدیک‌شدن ضروری نیست.
این واقعیت غیرمنتظره بود که اختلالات یادشده در ادراک مدت‌ها پیش از این رخ داده بود که حیوان وارد مرحله‌ی گرسنگی شدید شود. لیندسی گلیکفلد، عصب‌شناسی دانشگاه دوک، روی بینایی مطالعه می‌کند. وی گفت:
برای من شگفت‌انگیز بود. به‌نوعی سیستم بینایی این راه را برای کاهش استفاده از انرژی فقط با این تغییر نسبتاً ظریف در توانایی حیوان در انجام وظیفه‌ی ادراکی پیدا کرده است.
درحال‌حاضر، این مطالعه با اطمینان به ما می‌گوید که پستانداران می‌توانند مکانیسم صرفه‌جویی در مصرف انرژی را در نورون‌های قشر بینایی فعال کنند. روشفور گفت: «این احتمال وجود دارد که آنچه نشان دادیم، مثلاً برای حواس بویایی صدق نکند.» بااینحال، او و همکارانش حدس می‌زنند چنین چیزی به درجات مختلف در دیگر نواحی قشر مغز نیز رخ دهد. پژوهشگران دیگر نیز همین‌طور فکر می‌کنند. ماریا گفن، دانشمند عصب‌شناسی، در دانشگاه پنسیلوانیا پردازش شنوایی را مطالعه می‌کند. وی معتقد است: «به‌طور‌کلی، نورون‌ها در کل نواحی قشری به‌طور‌مشابهی عمل می‌کنند.»
گفن انتظار دارد اثرهای صرفه‌جویی در مصرف انرژی بر ادراک در تمامی حواس یکسان باشد و فعالیتی که در آن لحظه برای ارگانیسم مفیدتر است، افزایش و فعالیت‌های دیگر را کاهش دهد. گفن گفت: «بیشتر مواقع از حواس خود در بیشترین حد ممکن استفاده نمی‌کنیم. بسته به نیازهای رفتاری، مغز همیشه در حال تنظیم‌کردن است.»
- مغز ماشین پیش‌بینی انرژی-کارآمد است
- گرسنگی مغز: چگونه رژیم‌های غذایی مدرن به گفتمان خشم کمک می‌کنند
- نورون چیست ؛ انواع، وظایف و هرآنچه باید بدانید
خوشبختانه ضعفی که در حالت کم‌مصرف مغز ظاهر شود، دائمی نیست. وقتی پژوهشگران به موش‌ها یک دوز هورمون لپتین دادند که بدن از آن برای تنظیم تعادل انرژی و سطوح گرسنگی استفاده می‌کند، کلیدی را پیدا کردند که حالت صرفه‌جویی در مصرف انرژی را روشن و خاموش می‌کرد. نورون‌ها با دقت زیاد به جهت‌گیری ترجیحی خود پاسخ دادند و نقایص ادراکی آن‌ها رفع شد.همه‌ی این اتفاق‌ها بدون اینکه موش‌ها غذا بخورند، رخ داد. روشفور گفت: «وقتی لپیتن را تأمین می‌کنیم، می‌توانیم مغز را فریب دهیم و عملکرد قشر مغز را بازیابی کنیم.»
ازآن‌‌جاکه لپتین به‌واسطه‌ی سلول‌های چربی آزاد می‌شود، داشمندان بر این باورند که حضور این هورمون در جریان خون احتمالاً به مغز سیگنال می‌دهد که حیوان در محیطی قرار دارد که غذا فراوان است و به صرفه‌جویی در مصرف انرژی نیازی نیست.
پژوهش جدید نشان می‌دهد که سطوح اندک لپتین مغز را از وضعیت سوء‌تغذیه بدن آگاه و حالت کم‌مصرف مغز را فعال می‌کند. جولیا هریس، عصب‌شناس مؤسسه‌ی فرانسیس کریک در لندن می‌گوید: «این نتایج به‌طور‌غیرعادی رضایت‌بخش هستند. دستیابی به چنین یافته زیبایی که با درک موجود (درباره‌ی این مسئله) این‌قدر سازگار باشد، چندان معمول نیست.»
تحریف علوم اعصاب؟
یکی از پیامدهای مهم یافته‌های جدید این است بسیاری از دانشی که درباره‌ی نحوه‌ی عملکرد مغز و نورون ها به‌دست آورده‌ایم، ممکن است از مغزهایی یاد گرفته باشیم که پژوهشگران به‌طورناخواسته آن‌ها را در حالت کم‌مصرف قرار داده‌اند. محدود‌کردن مقدار غذای دردسترس موش‌ها و حیوانات آزمایشی دیگر برای هفته‌ها پیش و در جریان مطالعات علوم اعصاب برای ایجاد انگیزه به‌منظور انجام وظایف درعوض دریافت پاداش غذایی بسیار رایج است؛ در‌غیر‌این‌صورت، حیوانات اغلب کاری انجام نمی‌دهند.
روشفور می‌گوید:
این مطالعه به‌وضوح نشان می‌دهد که محدودیت غذایی بر عملکرد مغز تأثیر می‌گذارد. تغییرات مشاهده‌شده در جریان یون‌ها می‌تواند برای فرایندهای یادگیری و حافظه مهم باشد؛ زیرا آن‌ها به تغییرات خاصی وابسته‌اند که در سیناپس‌ها اتفاق می‌افتد.
گلیکفلد نیز می‌گوید:
اگر بخواهیم سؤال‌هایی درباره‌ی حساسیت ادراک حیوان یا حساسیت نورون‌ها مطرح کنیم، باید درباره‌ی نحوه‌ی طراحی آزمایش‌ها و نحوه‌ی تفسیر آزمایش‌ها با دقت زیادی فکر کنیم.
همچنین، نتایج سؤالات جدیدی درباره‌ی نحوه‌ی تأثیر سایر حالت‌های فیزیولوژیکی و سیگنال‌های هورمونی بر مغز و اینکه آیا سطوح متفاوت هورمون‌ها در جریان خون ممکن است موجب شود که افراد جهان را متفاوت ببینند، ایجاد می‌کند. رون نگوین راسموسن، دانشمند عصب‌شناس دانشگاه کپنهاگ، خاطرنشان می‌کند که افراد ازنظر لپتین و پروفایل متابولیک کلی، با‌هم فرق دارند. پس آیا این بدان‌معنا است که حتی ادراک بصری ما (اگرچه ممکن است از آن آگاه نباشیم)، بین انسان‌ها متفاوت است؟
راسموسن هشدار می‌دهد این سؤال بحث‌برانگیز است و شواهد محکم کافی برای پاسخ‌دادن به آن وجود ندارد. به‌نظر محتمل می‌رسد که ادراک بصری آگاهانه موش‌ها تحت‌تأثیر محرومیت غذایی قرار گرفته باشد؛ زیرا تغییراتی در بازنمایی‌های عصبی آن ادراکات و نیز در رفتار حیوانات دیده می‌شد. او می‌گوید:
نمی‌توانیم با اطمینان بگوییم؛ زیرا این امر مستلزم آن است که حیوانات بتوانند تجربیات بصری کیفی خود را برای ما توصیف کنند و بدیهی است که آن‌ها نمی‌توانند چنین کاری انجام دهند.
درحال‌حاضر دلیلی وجود ندارد که فکر کنیم حالت کم‌مصرف که به‌واسطه‌ی نورون‌های قشر بینایی در موش‌ها اجرا می‌شود و تأثیر آن بر ادراک، در انسان‌ها و پستانداران دیگر به همین شکل وجود نداشته باشد. گلیکفلد می‌گوید: «به‌نظر من، این مکانیسم‌ها برای نورون‌ها بسیار اساسی هستند.»
