مغز انسان آنقدر پیچیده است که مغزهای علمی در درک آن مشکل دارند. قطعه‌ای از بافت عصبی به اندازه یک دانه شن ممکن است با صدها هزار سلول که توسط کیلومترها سیم‌کشی به هم متصل شده‌اند، پر شده باشد. در سال 1979، فرانسیس کریک، دانشمند برنده جایزه نوبل، به این نتیجه رسید که آناتومی و فعالیت تنها یک میلی‌متر مکعب از ماده مغز برای همیشه از درک ما فراتر خواهد رفت.
دکتر کریک نوشت: "درخواست غیرممکن فایده‌ای ندارد."
چهل و شش سال بعد، تیمی متشکل از بیش از 100 دانشمند با ثبت فعالیت سلولی و نقشه‌برداری از ساختار در یک میلی‌متر مکعب از مغز موش - کمتر از یک درصد از حجم کامل آن - به این امر غیرممکن دست یافته‌اند. آن‌ها در انجام این شاهکار، 1.6 پتابایت داده جمع‌آوری کردند - معادل 22 سال ویدیوی با کیفیت بالا بدون توقف.
دکتر داوی باک، عصب‌شناس دانشگاه ورمونت که در این مطالعه که روز چهارشنبه در مجله Nature منتشر شد، شرکت نداشت، گفت: "این یک نقطه عطف است." دکتر باک گفت که پیشرفت‌هایی که ترسیم یک میلی‌متر مکعب از مغز را ممکن کرد، برای یک هدف جدید نویدبخش است: نقشه‌برداری از سیم‌کشی کل مغز یک موش.
او گفت: "این کاملاً شدنی است و من فکر می‌کنم ارزش انجام دادن دارد."
بیش از 130 سال از زمانی که سانتیاگو رامون ای کاخال، عصب‌شناس اسپانیایی، برای اولین بار نورون‌های منفرد را زیر میکروسکوپ دید و اشکال شاخه‌ای عجیب و غریب آن‌ها را تشخیص داد، می‌گذرد. نسل‌های بعدی دانشمندان بسیاری از جزئیات نحوه ارسال یک نورون یک ولتاژ ناگهانی را به پایین یک بازوی بلند به نام آکسون (axon) مشخص کردند. هر آکسون با شاخه‌های کوچکی به نام دندریت (dendrites) نورون‌های مجاور تماس برقرار می‌کند. برخی از نورون‌ها همسایگان خود را برای شلیک ولتاژ ناگهانی تحریک می‌کنند. برخی دیگر نورون‌ها را ساکت می‌کنند.
اندیشه انسانی به نوعی از این ترکیب تحریک و مهار پدیدار می‌شود. اما چگونگی وقوع این امر یک راز بزرگ باقی مانده است، زیرا دانشمندان فقط توانسته‌اند چند نورون را به طور همزمان مطالعه کنند.
در دهه‌های اخیر، پیشرفت‌های فناوری به دانشمندان اجازه داده است تا نقشه‌برداری از مغزها را به طور کامل آغاز کنند. در سال 1986، محققان بریتانیایی مدار یک کرم کوچک را که از 302 نورون تشکیل شده بود، منتشر کردند. در سال‌های بعد، محققان مغزهای بزرگ‌تری مانند 140,000 نورون در مغز یک مگس را ترسیم کردند.
آیا رویای غیرممکن دکتر کریک ممکن است پس از همه محقق شود؟ در سال 2016، دولت آمریکا تلاشی 100 میلیون دلاری را برای اسکن یک میلی‌متر مکعب از مغز موش آغاز کرد. این پروژه - به نام هوش ماشینی از شبکه‌های قشری یا MICrONS - توسط دانشمندان در موسسه علوم مغز آلن، دانشگاه پرینستون و کالج پزشکی بیلور رهبری می‌شد.
محققان بر روی بخشی از مغز موش که سیگنال‌ها را از چشم‌ها دریافت می‌کند و آنچه را که حیوان می‌بیند بازسازی می‌کند، تمرکز کردند. در مرحله اول تحقیق، تیم فعالیت نورون‌ها را در آن ناحیه در حالی که فیلم‌هایی از مناظر مختلف را به موش نشان می‌داد، ثبت کرد.
سپس محققان مغز موش را تشریح کردند و میلی‌متر مکعب را با مواد شیمیایی سخت‌کننده آغشته کردند. سپس آن‌ها 28000 برش از بلوک بافت را تراشیدند و تصویری از هر یک را ثبت کردند. کامپیوترها آموزش داده شدند تا طرح کلی سلول‌ها را در هر برش تشخیص دهند و برش‌ها را به اشکال سه بعدی به هم پیوند دهند. در مجموع، تیم 200,000 نورون و انواع دیگر سلول‌های مغزی را به همراه 523 میلیون اتصال عصبی ترسیم کرد.
برای نونو دا کاستا، زیست‌شناس موسسه آلن و یکی از رهبران پروژه، فقط تماشای شکل‌گیری سلول‌ها روی صفحه کامپیوترش نفس‌گیر بود. او گفت: "این نورون‌ها کاملاً خیره‌کننده هستند - به من لذت می‌بخشند."
دکتر دا کاستا و همکارانش برای درک نحوه عملکرد این شبکه نورونی، فعالیتی را که هنگام تماشای فیلم‌ها توسط موش ثبت شده بود، نقشه‌برداری کردند.
دکتر دا کاستا گفت: "تصور کنید که به مهمانی می‌روید که 80,000 نفر در آن حضور دارند و شما می‌توانید از هر مکالمه‌ای آگاه باشید، اما نمی‌دانید چه کسی با چه کسی صحبت می‌کند." "و حالا تصور کنید که راهی برای دانستن این دارید که چه کسی با چه کسی صحبت می‌کند، اما نمی‌دانید چه می‌گویند. اگر این دو چیز را داشته باشید، می‌توانید داستان بهتری در مورد آنچه در مهمانی می‌گذرد، بگویید."
محققان با تجزیه و تحلیل داده‌ها، الگوهایی را در سیم‌کشی مغز کشف کردند که تاکنون از نظر دور مانده بود. برای مثال، آن‌ها انواع متمایزی از نورون‌های مهاری را شناسایی کردند که فقط به انواع خاصی از نورون‌های دیگر متصل می‌شوند.
ماریلا پتکووا، بیوفیزیکدان دانشگاه هاروارد که در پروژه MICrONS شرکت نداشت، گفت: "وقتی وارد مطالعه مغز می‌شوید، به نظر نوعی ناامیدکننده است - اتصالات بسیار زیاد و پیچیدگی زیادی وجود دارد." "یافتن قوانین سیم‌کشی یک برد است. مغز بسیار کمتر از آنچه مردم فکر می‌کردند درهم و برهم است."
بسیاری از محققان MICrONS اکنون در یک پروژه بزرگتر مشارکت دارند: نقشه‌برداری از کل مغز یک موش. با حجم 500 میلی‌متر مکعب، ترسیم یک مغز کامل با روش‌های فعلی دهه‌ها یا قرن‌ها طول می‌کشد. دانشمندان باید ترفندهای دیگری را برای اتمام پروژه در یک دهه پیدا کنند.
گرگوری جفریس، عصب‌شناس دانشگاه کمبریج که در پروژه MICrONS شرکت نداشت، گفت: "آنچه که آن‌ها قبلاً برای رسیدن به اینجا مجبور به انجام آن شده‌اند، قهرمانانه است." "اما هنوز یک کوه برای صعود داریم."
فارست کولمن، یکی از اعضای پروژه MICrONS در موسسه آلن، خوشبین است. او و همکارانش اخیراً نحوه ساخت برش‌های میکروسکوپی نازک از کل مغز موش را کشف کرده‌اند. دکتر کولمن گفت: "برخی از این موانع شروع به از بین رفتن کرده‌اند."
اما مغز خودمان، که حدود هزار برابر بزرگتر از مغز موش است، چالش بسیار بزرگ‌تری را ارائه می‌دهد. او افزود: "مغز انسان در حال حاضر فراتر از محدوده آنچه ممکن است احساس می‌شود." "ما به این زودی‌ها به آنجا نمی‌رویم."
اما سباستین سونگ، عصب‌شناس دانشگاه پرینستون و یکی از اعضای پروژه MICrONS، خاطرنشان کرد که مغز موش و مغز انسان به اندازه کافی شبیه به هم هستند که محققان ممکن است سرنخ‌هایی را جمع‌آوری کنند که می‌تواند به آن‌ها در یافتن داروهایی برای درمان مؤثر اختلالات روانی بدون ایجاد عوارض جانبی مضر کمک کند.
دکتر سونگ گفت: "روش‌های فعلی ما برای دستکاری سیستم عصبی ابزارهای فوق‌العاده کندی هستند." "شما یک دارو وارد می‌کنید و به همه جا می‌رود." "اما توانایی دسترسی و دستکاری یک نوع سلول - این دقت است."
تلاش‌ها برای نقشه‌برداری از کل مغز موش توسط بودجه یک برنامه طولانی مدت مؤسسات ملی بهداشت به نام ابتکار BRAIN پشتیبانی می‌شود. اما آینده این تلاش نامشخص است. سال گذشته، کنگره بودجه ابتکار BRAIN را 40 درصد کاهش داد و ماه گذشته رئیس جمهور ترامپ لایحه‌ای را امضا کرد که حمایت را 20 درصد دیگر کاهش می‌دهد.
دکتر باک خاطرنشان کرد که تلاش‌های نقشه‌برداری مغز مانند MICrONS سال‌ها طول می‌کشد، تا حدی به این دلیل که آن‌ها مستلزم اختراع فن‌آوری‌ها و نرم‌افزارهای جدید در طول مسیر هستند.
دکتر باک گفت: "ما برای تحقق این اهداف بلندمدت به ثبات و قابلیت پیش‌بینی بودجه علمی نیاز داریم."