فصل اول: فنون و روشهای تحقیق در علوم اعصاب

پژوهشهای مربوط به فیزیولوژی اعصاب و علوم وابسته به آن مانند روان شناسی فیزیولوژیک و رفتارشناسی با شیوه های مختلفی صورت می گیرد. هر چه ابزارهای پژوهش کامل تر و پیچیده تر میشوند تنوع این شیوه ها نیز بیشتر میشود. در این فصل به شرح مهمترین روشهای تحقیق در علوم اعصاب می پردازیم.

روشهای تخریب و تحریک

روش تخریب بخشهایی از مغز جانوران که از قرن گذشته در فیزیولوژی اعصاب متداول بوده بر این فکر استوار است که از نوع تغییر کارکرد یک اندام آسیب دیده می توان به نقش طبیعی آن اندام پی برد؛ مثلاً با تخریب ناحیه حرکتی مغز، عضلات حیوان فلج و با آسیب رساندن به مرکز شنوایی حیوان ناشنوا می شود. با تخریب یک بخش در مغز جانوران همه تارهای عصبی که جسم سلولی آنها در بخش آسیب دیده است تحلیل میروند. بنابراین با این روش میتوان به مسیر تارهای عصبی نیز پی برد. با تحریک کردن یک مرکز عصبی عملکرد جانور و اندامهای آن بررسی می شود. برای انجام دادن این گونه پژوهشها از ابزارهایی مانند میکروالکترود و دستگاه استرئو تاکسی استفاده می شود.

شکل ۱: دستگاه استرئو تاکسی و شکل ۲: عکس‌برداری اشعه ایکس از جمجمه میمون با الکترودها

میکروالکترودها

میکروالکترودها اجسام هادی بسیار نازکی هستند که می توان نوک آنها را درون نورونها وارد کرد بدون آنکه به سلول عصبی آسیب زیادی وارد شود. برخی میکروالکترودهای نسبتاً درشت از تنگستن طلا پلاتین و نقره تهیه می شوند. این میکروالکترودها را به وسیله رنگهای عایق می پوشانند به طوری که فقط نوک آنها فاقد عایق باشد. میکروالکترودهای فلزی را میتوان در مغز جانوران کاشت به طوری که نوک آنها در نقطه دلخواه قرار گیرد. از این میکروالکترودها برای تحریک یا تخریب هسته های مختلف عصبی یا ثبت پدیده های الکتریکی این هسته ها استفاده می کنند میکروالکترودهای واقعی که قطر نوک آنها از حدود یک میکرون (میلیونیم متر بیشتر نیست از شیشه تهیه میشوند. ابتدا از لوله های شیشه ای نازک میکروپیست تهیه و سپس آنها را از محلول هادی مانند سرم فیزیولوژیک یا کلرور سدیم پر میکنند از این میکروالکترودها علاوه بر تحریک، تخریب و یا ثبت پدیده های الکتریکی میتوان برای تزریقهای میکروسکوپی نیز استفاده کرد.

دستگاه استرئو تاکسی

تحریک یا تخریب نواحی سطحی مغز آسان است؛ ولی برای قرار دادن میکروالکترودها در بخشهای عمیق مغز جانوران از روشهای استرئو تاکسی استفاده می کنند. در این روش سر حیوان را پس از بیهوش کردن زیر دستگاه قرار میدهند و به کمک میله هایی که در گوش و روی بینی قرار میگیرند مقید و ثابت می کنند. پس از برداشتن بخشی از پوست و استخوان سر میکروالکترودها را به کمک پیچهایی که آنها را به آرامی و با دقت در سه جهت فضا حرکت میدهند با استفاده از اطلسهای استرئو تاکسی در محل دلخواه وارد مغز میکنند اطلس استرئو تاکسی شامل تصاویری از برشهای مغز حیوان و محل دقیق هر ناحیه در مغز است. بافت شناسان اعصاب برای اغلب جانورانی که در آزمایشگاهها مورد استفاده قرار می گیرند اطلسهای استرئو تاکسی تهیه کرده اند که در اختیار پژوهشگران قرار دارد. پژوهشگر قبل از آنکه میکروالکترود را وارد مغز کند از روی نقشه های اطلس فاصله دقیق ناحیه مورد نظر خود را نسبت به محل اتصال استخوانهای آهیانه و پیشانی (برگما) معلوم میکند و میکروالکترود را به کمک پیچهای میزان کننده دستگاه استرئو تاکسی به آن ناحیه برده به میزان لازم وارد مغز می کند.

شکل ۳: استخوان‌های جمجمه موش و محل برگما. شکل ۴: یک صفحه از اطلس مغز موش.

پس از آنکه نوک میکروالکترود در محل قرار گرفت می توان با عبور دادن جریان الکتریکی مناسب بخش کوچکی از بافتهای اطراف آن را تخریب یا آنکه با جریان ضعیف تری ناحیه مذکور را تحریک کرد در روش تخریب پس از پایان یافتن تجربیات مغز حیوان را خارج و با روشهای باFT شناسی بررسی می کنند و محل دقیق قرار گرفتن نوک میکروالکترود را مشخص مینمایند. در روش تخریب گاهی از شیوه هایی استفاده میشود که یک ناحیه مغز را از کار می اندازد یا نوع خاصی از یاخته های عصبی را تخریب میکند؛ برای مثال میتوان در انسان با تزریق سدیم آمیتال به یکی از سرخرگهای سر (کاروتید) یک نیمکره مغز را موقتاً غیر فعال کرد و نشان داد که نیمکره چپ در تکلم نقش بیشتری دارد. قرار دادن کلرید پتاسیم در سطح خارجی ناحیه معینی از قشر مخ ناحیه مذکور را برای مدتی غیر فعال می سازد و استفاده از ماده ای به نام ۶ هیدروکسی تریپتوفان ، منحصراً سیناپسهای کاتکولا مینرژیک را تخریب میکند.

روشهای ثبت پاسخهای الکتریکی نورونها (روشهای الکتروفیزیولوژی)

ثبت پدیده های الکتریکی اعصاب میتواند از روی پوست سر، سطح خارجی قشر مخ یا نواحی عمیق مغز صورت گیرد که در مورد اخیر از میکروالکترودهای کار گذاشته شده استفاده میشود پتانسیل الکتریکی تار عصبی یا نورون را نیز می توان با وارد کردن یک میکروالکترود شیشه ای به درون آکسون یا جسم سلولی نورون ثبت کرد. در همه این پژوهشها از دستگاههای تقویت کننده استفاده می شود. نوسان نگارهای کاندی اسیلوسکوپ) ، دستگاههای الکترو آنسفالوگراف و رایانه هایی که محاسبات مربوط به پدیده های الکتریکی اعصاب را انجام می دهند از لوازم اصلی آزمایشگاههای علوم اعصاب است. جریانهای الکتریکی اعصاب ضعیف است و از چند میلی ولت تجاوز نمی کند و تغییرات این جریانها بر اثر تحریک بسیار سریع صورت میگیرد. اسیلوسکوپها قادرند این تغییرات ضعیف زودگذر را نشان دهند. از الکترو آنسفالوگرافها برای ثبت پدیده کلی الکتریکی مغز استفاده می شود. این دستگاهها برای ثبت پتانسیل فراخوانده نیز کاربرد دارند اساس ثبت پتانسیل فراخوانده این است که با تحریک یکی از راههای عصبی مغز یا وارد کردن یک محرک حسی به حیوان در بخشهای دیگری از مغز پاسخ الکتریکی ثبت شود؛ به این ترتیب می توان در مورد ارتباط عملی بین نواحی مختلف مغز اطلاعاتی را به دست آورد.

شکل ۵: وسایلی که از طریق آنها میتوان یک آکسون را تحریک و پتانسیل غشای آن را ثبت کرد.

الکترو آنسفالوگرافی (EEG)

رایج ترین روشهای ثبت پدیده بیوالکتریک مغز، الکترو آنسفالوگرافی یعنی ثبت امواج الکتریکی مغز از روی پوست سر است. این روش در ۱۹۲۹ به وسیله هانس برگر ابداع شد. منشأ اصلی منحنیهای ثبت شده فعالیت الکتریکی نورونهای قشر مخ است؛ ولی تحریک نواحی عمیق تر نیز میتواند این فعالیت الکتریکی را تغییر دهد. در الکترو آنسfالوگرافی الکترودهای دستگاه را بر روی پوست سر ثابت می کنند. از هر الکترود، نموداری به وسیله یک قلم ثبات رسم میشود می توان به صورت هم زمان امواج نواحی مختلف سر را رسم کرد در جانوران با قرار دادن الکترودها بر روی کورتکس مخ نیز منحنیهای مشابهی رسم میشود که الکتروکورتیکوگرام نام دارند.

منحنیهای الکتریکی مغز در حالات مختلف تغییر می کنند و در خواب و بیداری متفاوت اند. این منحنیها با توجه به فرکانس تعداد سیکل در ثانیه و دامنه یا ولتاژ آنها به چهار گروه اصلی تقسیم می شوند:

• الف) ريتم آلفا: فركانس ریتم آلفا بین ۸ تا ۱۴ سیکل در ثانیه و دامنه آن در حدود ۵۰ میکرو ولت است. این ریتم هنگامی ثبت میشود که فرد در حالت استراحت و آرامش فکری به سر برد و محرکهای حسی شدید در او اثر نکند. برای ثبت این منحنیها فرد را در محیط آرامی قرار میدهند و نور محیط را کم میکنند یا از فرد میخواهند تا چشمهای خود را ببندد. این ریتم در لوبهای آهیانه و پس سری بیش از سایر لوبهای کورتکس ثبت میشود دامنه ریتم آلفا در برخی بیماریها مانند صرع و هیدروسفالی از منحنیهای طبیعی بیشتر است با افزایش دقت و توجه، شروع فعالیت فکری و دریافت محرکهای حسی شدید و ریتم آلفا ناپدید می شود و جای خود را به امواجی با فرکانس بیشتر و دامنه کمتر میدهد در موقع خواب نیز امواج آلفا ناپدید میشوند. این امواج با تحریکاتی که از بخش تورینه ای تالاموس به قشر مخ می رسند مربوط است و قطع ارتباط تالاموس با قشر مخ باعث از بین رفتن آنها می شود.
• ب) ریتم بتا: فرکانس این ریتم بیش از ۱۴ سیکل در ثانیه و تا حدود ۸۰ دور در ثانیه است. ریتم بتا در حالات هیجانی و عاطفی و برانگیختگی ثبت می شود. در اغلب افراد بالغ فرکانس ریتم مذکور در حدود ۱۸ سیکل در ثانیه و ولتاژ آن حداکثر ۳۰ میکرو ولت است. امواج بتا در نواحی آهیانه و پیشانی بیشتر قابل ثبت است.


شکل ۶: انواع مختلف امواج الکترو آنسفالوگرام طبیعی (آلفا، بتا، تتا، دلتا)

• ج) ريتم تتا: فرکانس ریتم مذکور بین ۴ تا ۷ سیکل در ثانیه است. این ریتم در افراد بالغ به ندرت و در حالات تنش روانی یأس و ناامیدی و برخی اختلالات مغزی ظاهر میشود؛ ولی ثبت آن در کودکان نشانه بیماری نیست و طبیعی است.
• د) ریتم دلتا: به امواجی گفته میشود که فرکانس آن کمتر از ۴ سیکل در ثانیه است. این منحنیها اغلب ولتاژ زیاد دارند و در بزرگسالان در هنگام خواب و بیهوشی و در کودکان شیرخوار در اغلب ساعات شبانه روز ثبت میشود. به نظر می رسد ریتم دلتا مربوط به فعالیت الکتریکی نورونهای قشر مخ به طور مستقل از نواحی دیگر باشد؛ زیرا با قطع ارتباط بین قشر مخ و تالاموس امواج دلتا در الکترو آنسfالوگرام ظاهر می شود.

تا قبل از ابداع روشهای جدید تصویر گیری از مغز از منحنیهای الکترو آنسفالوگرام برای تعیین محل دقیق تومورهای مغز استفاده می شد. در حال حاضر کاربرد الکترو آنسفالوگرافی در تشخیص برخی از بیماریهای عصبی مانند صرع و در حالات بیهوشی و اغما و پژوهشهای بنیادی مربوط به خواب و بیداری است. تفسیر منحنیهای الکترو آنسفالوگرام معمولاً با مشاهده منحنیها به وسیله متخصص امواج مغز صورت میگیرد؛ ولی استفاده از رایانه ها به شناسایی بهتر این منحنیها کمک مؤثر میکند برای این منظور با استفاده از برنامه های رایانه در مورد دامنه و فرکانس منحنیهای ثبت شده محاسبات آماری صورت می گیرد و نتایج آن به صورت نقشه های نقطه نگاری توپوگرافیک رسم میشود. این نقشه ها نشان می دهند که در هر ناحیه از مغز چه میزان از موجهای دارای فرکانس معین ثبت میشوند.

روشهای تصویر گیری از مغز

روشهای متعددی به منظور عکس برداری اختصاصی از مغز وجود دارد که با استفاده از آنها اطلاعات بسیاری درباره ساختمان دقیق مغز و کار کرد بخشهای مختلف آن به دست آمده است.

• برش نگاری رایانه ای (CT Scan): یکی از این روشها برش نگاری رایانه ای است که به سی تی اسکن شهرت یافته است و تصاویری واضح تر از یک رادیوگرافی معمولی به دست می دهد. در روش برش نگاری رایانه ای به کمک اشعه X لایه لایه به فاصله کم و در دو صفحه عمود بر یکدیگر تصاویری تهیه میشود این تصاویر به کمک یک رایانه با یکدیگر تلفیق و به صورت عکسهای کلی بازسازی و آماده می شوند. در این عکسها بخشهایی از مغز که تراکم بیشتری دارند روشن تر از نواحی کم تراکم ظاهر می شوند.
• تصویربرداری با طنین مغناطیسی (MRI): روش دیگر بررسی ساختمان دقیق مغز استفاده از میدان مغناطیسی است که با علامات اختصاری NMR MRI و MRS نشان داده میشود. در روش MRI که استفاده از طنین مغناطیسی است فرد در دستگاه استوانه ای شکل در میدان مغناطیسی قوی قرار میگیرد. از این میدان امواج با فرکانس رادیویی را عبور می دهند که در نتیجه اتمهای هیدروژن موجود در آب و سایر مواد تشکیل دهنده بدن جابه جا می شوند و هنگامی که با قطع امواج رادیویی به وضعیت اولیه خود در میدان مغناطیسی باز می گردند یک موج الکترومغناطیسی از اتمهای هیدروژن بافتها آزاد می شود که پس از تقویت با دستگاه به وسیله رایانه به صورت تصویر ساختمان بخشهای بدن در می آید این تصاویر جزئیات بافتها و تمایز نواحی سفید و خاکستری مغز را بهتر نشان میدهند در این روش و روش برش نگاری رایانه ای می توان برای واضح تر نشان دادن رگهای خونی از برخی مواد حاجب استفاده کرد.
• طیف سنجی با طنین مغناطیسی (MRS): در روش دیگری که طیف سنجی با طنین مغناطیسی (MRS) است علاوه بر اتمهای هیدروژن تعدادی از ترکیبات دیگر بافتها نیز در تصویر ظاهر میشوند. با این روش می توان وجود و مقدار بسیاری از انتقال دهنده ها و یا داروهای عصبی و روانی را در نواحی مختلف مغز نشان داد با توجه به اینکه در روش MRI از مواد رادیواکتیو استفاده نمی شود میتوان از آن به صورت مداوم برای اندازه گیری جریان خون موضعی بافتها استفاده کرد.
• برش نگاری با انتشار پوزیترون (PET Scan): یکی دیگر از شیوه های بررسی مغز که برای شناسایی کار کرد بخشهای مختلف و اختلالات احتمالی آنها بسیار مفید است برش نگاری با انتشار پوزیترون (PET) اسکن) است. در این روش از یک رادیوایزوتوپ کوتاه اثر برای نشان دار کردن یک ماده مانند گلوکز آب نیتروژن و مواد دیگر استفاده می کنند. این مواد پس از تزریق به خون به مغز وارد میشوند و بر اثر تشعشعات پوزیترون که از آنها صادر میشود دستگاهی که سر فرد را در بر گرفته است سرانجام به کمک رایانه تصاویری از بخشهای مختلف مغز تهیه میکند که به وسیله آنها می توان به شدت فعالیت مراکز مختلف پی برد. در این روش بیشتر از فلوئورودز کسی گلوکز استفاده میشود که ماده ای مشابه گلوکز است؛ ولی مغز نمیتواند آن را به مصرف برساند. بخشهایی از مغز که در لحظه تصویر گیری فعالیت بیشتری دارند و جریان خون در آنها زیادتر است مقدار بیشتری از این ماده را جذب می کنند؛ ولی با توجه به آنکه نمی توانند این ماده را مصرف کنند تراکم آن در نواحی مذکور لحظه به لحظه بیشتر میشود و دستگاه عکس برداری آن نواحی را مشخص می کند. به کمک عکسهای رنگی که با روش برش نگاری با انتشار پوزیترون تهیه میشود می توان نشان داد که در هر لحظه فعالیت کدام بخش از مغز نسبت به نواحی دیگر بیشتر یا کمتر شده است. کاربرد این روش در انسان به علت عوارض جانبی خطرناک مواد رادیواکتیو بسیار محدود و منحصر به بیماریهای مغز است.

با پیشرفت فنون تصویر برداری توموگرافی با انتشار پرتوهای پوزیترون (PET) و تصویر برداری با رزونانس مغناطیسی (MRI) اطلاعات زیادی درباره عملکرد مغز انسان به دست آمده است. همان طور که اشاره شد اغلب از روش اول برای اندازه گیری متابولیسم گلوکز که با فعالیت عصبی رابطه مستقیم دارد استفاده می شود و روش دوم برای اندازه گیری میزان موضعی خون کاربرد دارد. از این فنون برای بررسی جنبه های پیچیده یادگیری حافظه ادراک تکلم و نقش مراکز عصبی در آنها استفاده می شود.

روشهای بیوشیمیایی بررسی کار مغز

مقدار بسیار کمی از مواد شیمیایی موجود در مغز را میتوان با یک لوله بسیار نازک (سوند میکرودیالیز بیرون کشید و با دستگاه میکرودیالیز تجزیه و شناسایی کرد و با تزریق مواد مختلف به خون یا تزریق مستقیم آنها به مغز آثار عصبی، روانی و رفتاری این مواد را بررسی نمود.

رسانه‌های تکمیلی فصل

پادکست

ویدیو