انریکو آمیکو، سرپرست نتایج پژوهشی درباره انگشت‌نگاری مغز در گفت‌وگو با ما از آینده این شیوه در تشخیص بیماری‌های زوال عصبی می‌گوید
اثرانگشت مغزت را بگیر!
مارچلو مالپیگی، پزشک ایتالیایی و استاد آناتومی دانشگاه بلونیا در سده17 میلادی وجود الگوهای مشخصی از برجستگی‌ها و غدد عرق را در نوک انگشتان دست مشاهده کرد. این مشاهدات کلیدی طی دو سده بعد از آن به جست‌وجوی طولانی و مداومی برای یافتن راه‌هایی برای شناسایی منحصربه‌فرد افراد براساس اثر انگشت منجر شد؛ شیوه‌ای که تا امروز به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد اما در روزگار معاصر مفهوم انگشت‌نگاری به سایر داده‌های زیست‌سنجی ازجمله ضبط صدا و اسکن عنبیه تعمیم داده می‌شود اما در چند سال اخیر با توسعه فناوری‌ها و روش‌های مختلف علمی دانشمندان موفق شده‌اند به معیارهای باکیفیتی از مغز دست یابند که باکمک آنها به نوعی اثر انگشت می‌توان رسید و ویژگی‌های شخصیتی و رفتاری منحصربه هر فرد را به‌طور مجزا مشخص کرد. به‌تازگی گروهی از دانشمندان موسسه فناوری فدرال لوزان سوئیس که نتایج یافته‌هایشان را در نشریه تخصصی Science Advances منتشر کرده‌اند دریافتند فقط در مدت زمان یک‌دقیقه و 40ثانیه می‌توان اثرانگشت مغز را ثبت کرد. نتایج این پژوهش می‌تواند هم برای مطالعه مغز و هم برای درک بیماری‌های زوال عصبی ناشی از سکته مغزی و آلزایمر و حتی درک بهتر اوتیسم و سازوکارهای اساسی گرایش و وابستگی به موادمخدر پیامدهای مهمی را نوید دهد. از این‌رو با انریکو آمیکو (Enrico Amico) سرپرست این پژوهش گفت‌وگو کرده‌ایم.
برای شروع لطفا کمی درباره روشی که برای استخراج اثرانگشت دیجیتال از مغز انسان به‌کار گرفتید، توضیح می‌دهید؟
من در این کار داده‌های جمع‌آوری‌شده با تصویرسازی تشدید مغناطیسی کارکردی یا اف.ام.آر.آی(fMRI) را به مدل‌هایی از شبکه فعالیت‌های مغز تبدیل کردم. مدل شبکه به ما اجازه می‌دهد همگامی میان مناطق مختلف مغز را تجزیه و تحلیل و چگونگی ارتباط این مناطق را با یکدیگر بررسی کنیم. این مدل که کانکتوم کارکردی یا دیاگرام اتصالات کارکردی نام دارد، نوعی ماتریس یا الگوی رنگی است که در آن نقاط‌رنگی، مناطقی را مشخص می‌کنند که همگام با هم یا در وضعیت ضدهمگامی‌کامل(پیوست)هستند. نکته جالب‌توجه این است که کانکتوم که درواقع ترکیبی از فعالیت مغز هر یک از ما را در اسکنر نشان می‌دهد حاوی اطلاعاتی درباره کارهایی است که انجام می‌دهیم و برای مثال به ما امکان می‌دهد، بفهمیم در وضعیت خواب، تماشای فیلم یا انجام‌دادن هر نوع فعالیت دیگری هستیم.
نخستین پژوهش درباره اثرانگشت مغز چه زمانی انجام شد؟
سال1394/2015 کشف شد که ماتریس‌های رنگی یا همان کانکتوم‌ها نمایانگر نوعی بارکد مغزی هستند که براساس آنها قادریم هریک از انسان‌ها را به‌طور مجزا از روی فعالیت‌های مغزشان شناسایی کنیم. اولین مطالعه اثر انگشت مغز را گروهی از دانشمندان علوم اعصاب در دانشگاه ییل انجام دادند. شرکت‌کنندگان در پژوهش آنها طی دو زمان مختلف به فاصله یک‌روز با اف.ام.آر.آی آزمایش شدند. با مقایسه کانکتوم‌های به‌دست‌آمده طی دو اسکن این دانشمندان دریافتند که می‌توان دو کانکتوم را که متعلق به یک شخص است شناسایی کرد، بنابراین افراد را با کمک کانکتوم‌های کاربردی‌شان با احتمال موفقیت 95درصد در حالت استراحت تشخیص هویت داد. بی‌شک این نتیجه زمانی قابل‌توجه است که فکر کنیم این ماتریس‌ها صرفا الگوهایی از فعالیت مغز ما هستند. از این کشف، مسیر پژوهش درباره اثر انگشت مغز باز شد و از آنجا که این موضوع را بسیار جذاب دیدم تصمیم گرفتم به آن ملحق شوم.
به‌این‌ترتیب می‌توان گفت فقط حدود شش‌سال است که با مفهوم اثرانگشت مغز آشنا شده‌ایم. به‌نظر می‌رسد که این مفهوم با آنچه مارچلو مالپیگی روی انگشت انسان کشف کرد کمی تفاوت داشته باشد. درواقع می‌دانیم که اثرانگشت‌های آناتومیک هرگز تغییر نمی‌کنند و از این‌رو از آنها به‌عنوان پارامترهای زیست‌سنجی استفاده می‌شود اما وضعیت درمورد اثرانگشت مغز تفاوت دارد. درست است؟
دقیقا همین‌طور است. من دراین‌خصوص سوال‌های زیادی داشتم و برای مثال از خودم می‌پرسیدم درست است که اثرانگشت‌هایی که روی دست داریم با گذشت زمان دستخوش تغییرات چندانی نمی‌شود اما آیا اثرانگشت‌های مغزی که برپایه پویایی مغز ما استوار هستند درطول زمان تغییر می‌کنند؟ در تازه‌ترین کارمان سعی کردیم به برخی از سؤالات اینچنینی پاسخ دهیم: در چه لحظه‌ای از تشدید مغناطیسی اثر انگشت شروع به ظاهرشدن می‌کند؟ نواحی مختلف مغز چگونه به پدیداری آنها کمک می‌کنند؟ همچنین تلاش کردیم بفهمیم آیا برای ظاهرشدن اثرانگشت مغز الگوی زمانی بهینه‌ای وجود دارد یا خیر و دراین‌خصوص به کشف بسیار جالبی رسیدیم که نشان می‌داد برای دیدن بارکد مغز نیاز نیست که به‌مدت 5،10یا30دقیقه در اسکنر بمانیم بلکه فقط 100ثانیه کافی است. همچنین وجود بعضی از زمان‌های اوج مرتبط با فعالیت‌های عصبی فرد را کشف کردیم که خیلی سریع ظاهر و بلافاصله ناپدید می‌شوند و در آن لحظات کوتاه امکان شناسایی اثرانگشت مغز میسر است. به‌علاوه توانستیم مشاهده کنیم که مناطق مختلف مغز در الگوهای زمانی مختلف به این شناسایی مغزی کمک می‌کنند. نواحی حسی که به‌نوعی ابتدایی‌ترین بخش‌های مغز ما هستند و با پاسخگویی به محرک‌های خارجی و یکپارچگی‌های چندحسی ارتباط دارند اولین مناطقی‌اند که با فعال‌شدن شروع به طراحی اثرانگشت مغز می‌کنند. سپس با گذشت زمان، خطوط دیگری که اثرانگشت مغزی ما را تشکیل می‌دهند، شروع به ظاهرشدن می‌کنند. این خطوط به فعالیت نواحی پیشانی مربوط هستند که با استدلال و عملکردهای شناختی پیچیده مرتبط هستند.
اگر هر نفر اثرانگشت مغزی خاص خودش را داشته باشد که طی سال‌ها تغییر می‌کند، این اثرانگشت‌ها چگونه می‌توانند به درک بیماری‌های زوال عصبی کمک کنند؟ آیا برای این‌کار لازم است که فرد در دوران سلامت اثرانگشت دیجیتال مغز خودش را برای مقایسه با اثرانگشتِ روزی که مغزش بیمار می‌شود ثبت کند؟
بله به‌طور حتم مطالعه فرد در بازه زمانی مشخص و ارزیابی او در فواصل منظم در طول زمان برای درک چگونگی تغییر اثرانگشت مغز در اثر بیماری‌های زوال عصبی بسیار مفید خواهد بود و باید بگویم گام بعدی پژوهش‌های من که با گروهم روی آن کار می‌کنم این خواهد بود که بفهمیم با بروز آسیب‌های عصبی و به‌ویژه آلزایمر چه اتفاقی برای این اثرانگشت‌های مغزی رخ می‌دهد؟ نتایج اولیه مطالعات ما نشان می‌دهد در بیمارانی که از این بیماری رنج می‌برند، تشخیص اثرانگشت مغزی دشوارتر است. درواقع به‌نظر می‌رسد بخشی از هویت مغز از بین رفته که احتمالی ترسناک اما همزمان جذاب است و قصد داریم در مطالعات آینده‌مان آن را بررسی کنیم.
پس یعنی با درک بیماری‌های زوال عصبی به‌خصوص آلزایمر با استفاده از این شیوه تشخیصی در آینده خواهیم توانست به درمان‌های موثرتری دست یابیم زیرا درحال‌حاضر هیچ درمانی برای مقابله قطعی با این بیماری وجود ندارد. همین‌طور است؟
بله. اگر نتایج اولیه‌ای که به‌دست آوردیم تائید شود شیوه انگشت‌نگاری مغز می‌تواند به‌طور بالقوه به شناسایی زیست‌نشانگرهای مناسب برای تشخیص به‌موقع آلزایمر و درنتیجه ارائه درمان‌های مناسبت‌تر منجر شود.
اثر انگشت مغز هم پویاست؟
مغز سامانه‌ای پویا در سطوح مختلف تحلیل غیرخطی است. تشخیص این پویایی غیرخطی برای درک بهتر ما از عملکرد مغز اساسی است و می‌تواند در توصیف طیف وسیعی از رفتارها و فعالیت‌های عصبی ازجمله مجموعه‌های حسی و حرکتی ارزشمند باشد. درواقع به‌نظر می‌رسد نواحی مغز انسان به‌طور گسترده‌ای از جنبه‌های مختلف رفتاری و شناختی باهم فرق دارند و تصور می‌شود این پویایی در بازه‌های زمانی متفاوتی میان جمعیت‌های عصبی پخش و در اثرانگشت مغز ظاهر می‌شود. انریکو آمیکو دراین‌خصوص در گفت‌وگو با جام‌جم می‌گوید: «همان‌طورکه پیش‌تر گفتم تصاویر اف.ام.آر.آی نشان می‌دهد نورون‌های حسی اولیه که به‌شدت با تغییرات محیطی مرتبط هستند با شروع و حذف یک محرک به‌سرعت روشن و خاموش می‌شوند و بازه‌های زمانی ذاتا کوتاهی را نشان می‌دهند. در مقابل نورون‌هایی که در نواحی ارتباط قشری قرار دارند الگوهای روشن و خاموش طولانی‌تری از خود نشان می‌دهند و درواقع زمانی فعال می‌شوند که فرد درگیر وظایف شناختی درجه بالاتری است.» او در ادامه روند آشکارشدن این پویایی را در مقیاس زمانی با مثالی ساده توضیح می‌دهد: «ما می‌توانیم پدیدارشدن اثرانگشت مغز را فرآیندی شبیه آنچه که هنگام عکس‌گرفتن با یک دوربین فوری پولاروید شاهد هستیم، تصور کنیم. پس از گرفتن عکس باید مدت مشخصی منتظر بمانیم تا تصویر به‌طورکامل نمایان شود اما می‌توانیم ببینیم عکس یکباره قابل‌رؤیت نمی‌شود و در بعضی نقاط، خطوط و رنگ‌ها قبل‌از سایر جزئیات ظاهر می‌شود. هنگام ثبت اثرانگشت مغز وضعیت مشابهی را مشاهده کردیم و دریافتیم بعضی از نواحی مغز در زمان‌های کوتاه‌تری نسبت به سایر نواحی ظاهر می‌شود.»
من در این کار داده‌های جمع‌آوری‌شده با تصویرسازی تشدید مغناطیسی کارکردی یا اف.ام.آر.آی(fMRI) را به مدل‌هایی از شبکه فعالیت‌های مغز تبدیل کردم. مدل شبکه به ما اجازه می‌دهد همگامی میان مناطق مختلف مغز را تجزیه و تحلیل و چگونگی ارتباط این مناطق را با یکدیگر بررسی کنیم. این مدل که کانکتوم کارکردی یا دیاگرام اتصالات کارکردی نام دارد، نوعی ماتریس یا الگوی رنگی است که در آن نقاط‌رنگی، مناطقی را مشخص می‌کنند که همگام با هم یا در وضعیت ضدهمگامی‌کامل(پیوست)هستند. نکته جالب‌توجه این است که کانکتوم که درواقع ترکیبی از فعالیت مغز هر یک از ما را در اسکنر نشان می‌دهد حاوی اطلاعاتی درباره کارهایی است که انجام می‌دهیم و برای مثال به ما امکان می‌دهد، بفهمیم در وضعیت خواب، تماشای فیلم یا انجام‌دادن هر نوع فعالیت دیگری هستیم.
نخستین پژوهش درباره اثرانگشت مغز چه زمانی انجام شد؟
سال1394/2015 کشف شد که ماتریس‌های رنگی یا همان کانکتوم‌ها نمایانگر نوعی بارکد مغزی هستند که براساس آنها قادریم هریک از انسان‌ها را به‌طور مجزا از روی فعالیت‌های مغزشان شناسایی کنیم. اولین مطالعه اثر انگشت مغز را گروهی از دانشمندان علوم اعصاب در دانشگاه ییل انجام دادند. شرکت‌کنندگان در پژوهش آنها طی دو زمان مختلف به فاصله یک‌روز با اف.ام.آر.آی آزمایش شدند. با مقایسه کانکتوم‌های به‌دست‌آمده طی دو اسکن این دانشمندان دریافتند که می‌توان دو کانکتوم را که متعلق به یک شخص است شناسایی کرد، بنابراین افراد را با کمک کانکتوم‌های کاربردی‌شان با احتمال موفقیت 95درصد در حالت استراحت تشخیص هویت داد. بی‌شک این نتیجه زمانی قابل‌توجه است که فکر کنیم این ماتریس‌ها صرفا الگوهایی از فعالیت مغز ما هستند. از این کشف، مسیر پژوهش درباره اثر انگشت مغز باز شد و از آنجا که این موضوع را بسیار جذاب دیدم تصمیم گرفتم به آن ملحق شوم.
به‌این‌ترتیب می‌توان گفت فقط حدود شش‌سال است که با مفهوم اثرانگشت مغز آشنا شده‌ایم. به‌نظر می‌رسد که این مفهوم با آنچه مارچلو مالپیگی روی انگشت انسان کشف کرد کمی تفاوت داشته باشد. درواقع می‌دانیم که اثرانگشت‌های آناتومیک هرگز تغییر نمی‌کنند و از این‌رو از آنها به‌عنوان پارامترهای زیست‌سنجی استفاده می‌شود اما وضعیت درمورد اثرانگشت مغز تفاوت دارد. درست است؟
دقیقا همین‌طور است. من دراین‌خصوص سوال‌های زیادی داشتم و برای مثال از خودم می‌پرسیدم درست است که اثرانگشت‌هایی که روی دست داریم با گذشت زمان دستخوش تغییرات چندانی نمی‌شود اما آیا اثرانگشت‌های مغزی که برپایه پویایی مغز ما استوار هستند درطول زمان تغییر می‌کنند؟ در تازه‌ترین کارمان سعی کردیم به برخی از سؤالات اینچنینی پاسخ دهیم: در چه لحظه‌ای از تشدید مغناطیسی اثر انگشت شروع به ظاهرشدن می‌کند؟ نواحی مختلف مغز چگونه به پدیداری آنها کمک می‌کنند؟ همچنین تلاش کردیم بفهمیم آیا برای ظاهرشدن اثرانگشت مغز الگوی زمانی بهینه‌ای وجود دارد یا خیر و دراین‌خصوص به کشف بسیار جالبی رسیدیم که نشان می‌داد برای دیدن بارکد مغز نیاز نیست که به‌مدت 5،10یا30دقیقه در اسکنر بمانیم بلکه فقط 100ثانیه کافی است. همچنین وجود بعضی از زمان‌های اوج مرتبط با فعالیت‌های عصبی فرد را کشف کردیم که خیلی سریع ظاهر و بلافاصله ناپدید می‌شوند و در آن لحظات کوتاه امکان شناسایی اثرانگشت مغز میسر است. به‌علاوه توانستیم مشاهده کنیم که مناطق مختلف مغز در الگوهای زمانی مختلف به این شناسایی مغزی کمک می‌کنند. نواحی حسی که به‌نوعی ابتدایی‌ترین بخش‌های مغز ما هستند و با پاسخگویی به محرک‌های خارجی و یکپارچگی‌های چندحسی ارتباط دارند اولین مناطقی‌اند که با فعال‌شدن شروع به طراحی اثرانگشت مغز می‌کنند. سپس با گذشت زمان، خطوط دیگری که اثرانگشت مغزی ما را تشکیل می‌دهند، شروع به ظاهرشدن می‌کنند. این خطوط به فعالیت نواحی پیشانی مربوط هستند که با استدلال و عملکردهای شناختی پیچیده مرتبط هستند.
اگر هر نفر اثرانگشت مغزی خاص خودش را داشته باشد که طی سال‌ها تغییر می‌کند، این اثرانگشت‌ها چگونه می‌توانند به درک بیماری‌های زوال عصبی کمک کنند؟ آیا برای این‌کار لازم است که فرد در دوران سلامت اثرانگشت دیجیتال مغز خودش را برای مقایسه با اثرانگشتِ روزی که مغزش بیمار می‌شود ثبت کند؟
بله به‌طور حتم مطالعه فرد در بازه زمانی مشخص و ارزیابی او در فواصل منظم در طول زمان برای درک چگونگی تغییر اثرانگشت مغز در اثر بیماری‌های زوال عصبی بسیار مفید خواهد بود و باید بگویم گام بعدی پژوهش‌های من که با گروهم روی آن کار می‌کنم این خواهد بود که بفهمیم با بروز آسیب‌های عصبی و به‌ویژه آلزایمر چه اتفاقی برای این اثرانگشت‌های مغزی رخ می‌دهد؟ نتایج اولیه مطالعات ما نشان می‌دهد در بیمارانی که از این بیماری رنج می‌برند، تشخیص اثرانگشت مغزی دشوارتر است. درواقع به‌نظر می‌رسد بخشی از هویت مغز از بین رفته که احتمالی ترسناک اما همزمان جذاب است و قصد داریم در مطالعات آینده‌مان آن را بررسی کنیم.
پس یعنی با درک بیماری‌های زوال عصبی به‌خصوص آلزایمر با استفاده از این شیوه تشخیصی در آینده خواهیم توانست به درمان‌های موثرتری دست یابیم زیرا درحال‌حاضر هیچ درمانی برای مقابله قطعی با این بیماری وجود ندارد. همین‌طور است؟
بله. اگر نتایج اولیه‌ای که به‌دست آوردیم تائید شود شیوه انگشت‌نگاری مغز می‌تواند به‌طور بالقوه به شناسایی زیست‌نشانگرهای مناسب برای تشخیص به‌موقع آلزایمر و درنتیجه ارائه درمان‌های مناسبت‌تر منجر شود.
اثر انگشت مغز هم پویاست؟
مغز سامانه‌ای پویا در سطوح مختلف تحلیل غیرخطی است. تشخیص این پویایی غیرخطی برای درک بهتر ما از عملکرد مغز اساسی است و می‌تواند در توصیف طیف وسیعی از رفتارها و فعالیت‌های عصبی ازجمله مجموعه‌های حسی و حرکتی ارزشمند باشد. درواقع به‌نظر می‌رسد نواحی مغز انسان به‌طور گسترده‌ای از جنبه‌های مختلف رفتاری و شناختی باهم فرق دارند و تصور می‌شود این پویایی در بازه‌های زمانی متفاوتی میان جمعیت‌های عصبی پخش و در اثرانگشت مغز ظاهر می‌شود. انریکو آمیکو دراین‌خصوص در گفت‌وگو با جام‌جم می‌گوید: «همان‌طورکه پیش‌تر گفتم تصاویر اف.ام.آر.آی نشان می‌دهد نورون‌های حسی اولیه که به‌شدت با تغییرات محیطی مرتبط هستند با شروع و حذف یک محرک به‌سرعت روشن و خاموش می‌شوند و بازه‌های زمانی ذاتا کوتاهی را نشان می‌دهند. در مقابل نورون‌هایی که در نواحی ارتباط قشری قرار دارند الگوهای روشن و خاموش طولانی‌تری از خود نشان می‌دهند و درواقع زمانی فعال می‌شوند که فرد درگیر وظایف شناختی درجه بالاتری است.» او در ادامه روند آشکارشدن این پویایی را در مقیاس زمانی با مثالی ساده توضیح می‌دهد: «ما می‌توانیم پدیدارشدن اثرانگشت مغز را فرآیندی شبیه آنچه که هنگام عکس‌گرفتن با یک دوربین فوری پولاروید شاهد هستیم، تصور کنیم. پس از گرفتن عکس باید مدت مشخصی منتظر بمانیم تا تصویر به‌طورکامل نمایان شود اما می‌توانیم ببینیم عکس یکباره قابل‌رؤیت نمی‌شود و در بعضی نقاط، خطوط و رنگ‌ها قبل‌از سایر جزئیات ظاهر می‌شود. هنگام ثبت اثرانگشت مغز وضعیت مشابهی را مشاهده کردیم و دریافتیم بعضی از نواحی مغز در زمان‌های کوتاه‌تری نسبت به سایر نواحی ظاهر می‌شود.»