مدل سادة کامپیوتری مغز خوابیده را روشن می‌کند

• تیم نیومن
• ترجمة نادر اکبری

علم مغز در دهه‌های اخیر با فراز و فرودهایی پیشرفت کرده است. در هر حال، پرسش‌های دشوار بسیاری بدون پاسخ مانده‌اند و تا فهم کامل عملکرد مغز هنوز راه درازی باقی است. تحقیق اخیر بینش تازه‌ای در قابلیت‌های فرآیند حافظه در خواب عرضه می‌دارد.
تقریباً تمامی جانوران با مشخصات گوناگون سطح آگاهی، محدودیت فعالیت حسی و ریلکسیشن عضلانی، نیازمند خواب هستند. نوع انسان تقریباً یک‌سوم کل عمر خویش را در چرت زدن و خوابیدن می‌گذراند.
گذراندن بخش بزرگی از زندگی با چشم‌های بسته، و بی‌پاسخ نسبت به محرک‌های خارجی یک "سرگرمی خطرناک" است؛ مخصوصاً برای جانورانی که در فهرست غذایی شکارچیان منطقة خود قرار دارند.
از آنجا که خواب گونه‌های متعدد را درگیر کرده و در آنها وجود دارد، باید برای بقاء ارگانیسم حیاتی باشد.
خواب را گاهی از اوقات به ناخودآگاهی تشبیه می‌کنند، اما خواب به طور کامل نوع دیگری از هستی است.
علی‌رغم تظاهر بیرونی آن، خواب از نظر نورولوژیک بازة زمانی پُرفعالیتی است. برون‌ده الکتریکی مغز اوج می‌گیرد و وارد یک ارکستراسیون منظم فعالیت می‌شود.

عملکرد خواب
تعدادی نظریه وجود دارد که کوشیده‌اند اتفاقات در خلال خواب را توضیح دهند. این تئوری‌ها لزوماً با یکدیگر سازگار نیستند و بدون شک عملکردهای دیگری هم هستند که هنوز روشن نشده‌اند.
برخی دانشمندان این تئوری را ارائه می‌دهند که خواب فرصتی برای پاکسازی مایعات اطراف سلول‌ها شامل پروتئین‌هایی نظیر آملوئید بتا فراهم می‌کند. همچنین خواب با همیاری سیستم ایمنی توانایی التیام را افزایش می‌دهد. برای مثال در صورت محروم شدن از خواب روندی بهبود جراحات در موش‌های صحرایی کندتر می‌شود.
به علاوه خواب پیوندهای عمیقی با حافظه دارد. یک مطالعه در سال 2007 متوجه شد که در افراد گروه محروم شده از خواب، کارکرد حافظه تا 38 درصد کاهش می‌یابد. محققان دریافته‌اند که مراحل مختلف خواب و فعالیت نورو‌ن‌هایی که خلق می‌کنند نقش مهمی در تقویت حافظه بازی می‌کند.
تحقیقی که اخیراً در PLOS زیست‌شناسی محاسبه‌ای منتشر شده است، بر آن شد تا یک مدل محاسباتی ایجاد کند که می‌تواند این الگوها را برای بینش عمیق‌تر در مورد عملکرد‌های حافظه در خواب تقلید کند.

الگوهای خواب
برخی مدل‌های خواب صرفاً بر اساس فعالیت نورون‌های منفرد هستند، مابقی تجریدی‌تر بوده و کمتر به جزئیات می‌پردازند. هر دو روش فواید و مشکلات خاص خود را دارند. در مقابل، تیم تحقیق آلمانی از یک مدل جرم عصبی استفاده کرد. در مدل جرم عصبی فعالیت گروه کوچکی از نورون‌ها برای برآورد رفتار گروه‌های بزرگتر نورون‌ها اندازه‌گیری می‌شود.
نویسندگان توضیح می‌دهند: "مدل‌های جرم عصبی سازشی میان رویکردهای مدلسازی تجریدی و بسیار جزءنگر ارائه می‌دهند."
در کار پیشین خود، محققان – میکائیل اشلنبرگر کاستا / Michael Schellenberger Costa و آرنه وایگناند / Arne Weigenand از دانشگاه لوبک – فعالیت کورتکس در حال خواب را مدلسازی کردند. مطالعة اخیر گسترش کار پیشین آنها بود.
دانشمندان اخیراً دریافته‌اند که تقویت حافظه احتمالاً از فعل و انفعال میان کورتکس و تالاموس ناشی می‌شود.
تالاموس در بین کورتکس و مغز میانی قرار دارد و پیام‌های محرک و حسی بدن به کورتکس را تقویت می‌کند. تالاموس همچنین به تنظیم هوشیاری، خودآگاهی و خواب کمک می‌کند.
گمان بر این است که ضرباهنگ‌های خواب در تالاموس تولید شده و سپس در فعل و انفعال با کورتکس هماهنگ می‌شوند. به نظر می‌رسد که تالاموس به طور مشخص نقش مهمی در تولید و کنترل موج آرام خواب (SWS) بازی می‌کند.
به طور مشخص تیم تحقیق بر آن بود تا به فعالیت مغز در خلال مراحل دوم و سوم خواب NREM- خواب در حالت فاقد پلک زدن سریع – بپردازد. در طول NREM امواج EEG به طور مشخص آهسته، اما دارای ولتاژ بالا هستند. تنفس و ضربان قلب منظم و کُندند، فشار خون پایین می‌آید و رویایی در خواب دیده نمی‌شود.

تکرار تقویت حافظه
تیم تحقیق توانست جفت تالاموکورتیکال (تعامل میان کورتکس و تالاموس) را در مدل اخیر ایجاد کند و الگوهای خواب مرتبط به حافظه را تکرار نماید. برای تأیید دقت الگوهایی خلق شده، تیم تحقیق به شکل موفقیت‌آمیزی الگوهای کامپیوتری خلق شده را با داده‌های EEG از مطالعة بر روی خواب انسانی تلفیق کرد.
این را می‌دانیم که برخی تکنیک‌های تحریکی (تحریک لکتریکی و شنوایی ترانس‌کرانیال) از تقویت حافظه در طول خواب حمایت می‌کنند. مدل تیم تحقیق نیز با تأیید دقیق‌تر به پیش‌بینی اثرات این تکنیک‌ها بر اثرات EEG پرداخت.
محققان می‌نویسند: "شگفت‌انگیز است که ببینیم مدلی که فقط تعداد اندکی از مکانیسم‌های کلیدی را به کار می‌بندد برای بازتولید ضرباهنگ‌های پیچیدة مغزی که در خواب مشاهده می‌شوند کافی است."
خود مدل که نسبتاً ساده است، به این معنی است که نقشی مفید در مطالعات آینده مرتبط به تقویت حافظه بازی می‌کند. علم خواب کلاف پیچیده‌ای است که باز کردنش آسان نیست. مدلسازی کامپیوتری ابزار گرانبهایی است که به آرامی برای باز کردن درهای دانش مورد استفاده قرار می‌گیرد./