زبان نورون‌ها؛ از گالوانی تا کشف پتانسیل عمل

انتقال پیام‌های الکتریکی به منزله‌ی زبان ذهن است و وسیله‌ای است که به کمک آن یاخته‌های عصبی (neuron)، یعنی اجزای تشکیل‌دهنده‌ی کل مغز، از فاصله‌ی بسیار با یکدیگر ارتباط برقرار می‌سازند. دانشمندان در چهار مرحله‌ی گوناگون توانسته‌اند به این ایده دست یابند که نورون‌ها پیام‌رسانی می‌کنند. این پژوهش‌ها از سده‌ی هجدهم آغاز شد و تا رسیدن به یک راه‌حل روشن در تحقیقات آلن هاجکین و آندرو هاکسلی در میانه‌ی سده‌ی بیستم دویست سال به طول انجامید.

نخستین مرحله در ۱۷۹۱ آغاز گشت، هنگامی که لوئیجی گالوانی، زیست‌شناس ایتالیایی، فعالیت الکتریکی را در یاخته‌های جانوری کشف کرد. گالوانی پای یک قورباغه را روی نرده‌های آهنین بالکن خانه‌ی خود از قلابی مسین آویزان کرد و دید که تأثیر متقابل بین دو فلز گوناگون هر از گاهی موجب تکان‌دادن پای قورباغه می‌شود، به گونه‌ای که گویی هنوز هم جان داشت.

دستاورد گالوانی که منجر به بیرون‌کشیدن فعالیت نورون‌ها از قلمرو نیروی حیات و بردن آن به عرصه‌ی علوم طبیعی شد، در سده‌ی نوزدهم توسط هرمان فن هلمهولتس بسط یافت. هلمهولتس کشف کرد که آکسون‌های (axon) یاخته‌های عصبی جریان الکتریکی را نه به‌صورت محصول جانبی فعالیت‌های خود، بلکه به‌منزله‌ی وسیله‌ای برای انتقال پیام‌ها در طول خود تولید می‌کنند. آن‌گاه به کمک این پیام‌ها، اطلاعات حسی را از دنیای خارج به نخاع شوکی و مغز می‌رسانند و دستورات حرکتی مغز و نخاع را به ماهیچه‌ها می‌فرستند.

هلمهولتس در ۱۸۵۰ موفق شد مشخص کند که پیام‌های الکتریکی با چه سرعتی انتقال می‌یابند. او مشاهده کرد که سرعت عبور الکتریسیته در طول یک آکسون جاندار به هیچ‌وجه با سرعت جریان الکتریسیته از سیم فلزی (۳۰۰ هزار کیلومتر در ثانیه) قابل مقایسه نیست. جریان الکتریسیته در طول آکسون یاخته‌های عصبی بسیار کندتر حرکت می‌کند، اما برخلاف سیم فلزی، به حالت فعال و با حرکت موجی با سرعت تا ۳۰ متر در ثانیه پیش می‌رود. پیام‌های الکتریکی در نورون‌ها شدت جریان خود را، برخلاف جریان برق در سیم‌ها، از دست نمی‌دهند. بنابراین، نورون‌ها سرعت انتقال را فدا می‌کنند تا تضمین کنند پیامی که شست تولید کرده، بدون کاهش قدرت به نخاع شوکی می‌رسد.

پژوهش‌های مربوط به شکل پیام‌ها و نقش آنها در کدگذاری اطلاعات در دهه‌ی بیست سده‌ی بیستم توسط ادگار داگلاس ادریان آغاز شد. ادریان روشی برای ثبت و تقویت پتانسیل عمل (action potential) که در طول آکسون یک نورون حسی در پوست ادامه می‌یافت، ابداع کرد. او برای ثبت پتانسیل عمل از یک سیم فلزی نازک استفاده کرد. یک سر سیم را به سطح خارجی آکسون یک نورون حسی در پوست چسباند و سر دیگر را به یک نوسان‌نگار و یک بلندگو وصل کرد. هربار که ادریان پوست را لمس می‌کرد، یک یا چندین پتانسیل عمل ایجاد می‌شد. او صداهای کوتاه ترق‌ترق را از طریق بلندگو می‌شنید و پالس الکتریکی را روی صفحه‌ی نوسان‌نگار می‌دید. پتانسیل عمل در نورون حسی فقط یک‌هزارم ثانیه دوام می‌یافت و دو مرحله را در بر می‌گرفت: یک ضربه‌ی کوتاه افزایش ناگهانی تا اوج و در پی آن یک ضربه‌ی کوتاه افت ناگهانی تا به سطح شروع بازگردد [تصویر ۵-۲].

نوارهای ثبت‌شده‌ی ادریان نشان دادند که پتانسیل عمل‌ها از قانون همه‌یا‌هیچ (all-or-none) پیروی می‌کنند. به‌محض اینکه یک پتانسیل عمل تولید شود، همواره دامنه‌ی نوسان و شکل آن مشابه‌اند. ادریان کشف کرد که شدت و ضعف محرک به فرکانس پتانسیل عمل‌های ناشی از آن محرک وابسته است. برای نمونه، محرک خفیف، مثل لمس ملایم، دو یا سه پتانسیل عمل در ثانیه تولید می‌کند، در حالی که محرک قوی، مثل نیشگون، ممکن است صد پتانسیل عمل در ثانیه به جریان اندازد. تداوم احساس نیز تا زمانی که پتانسیل عمل‌ها تولید می‌شوند، ادامه خواهد داشت.

ادریان دریافت که نورون‌ها برای مطلع‌کردن مغز از وجود محرک‌های گوناگون، کدهای مختلفی به کار نمی‌گیرند. ویژگی یک احساس، خواه مربوط به بینایی یا بساوایی، بستگی به مسیر عصبی (sensory pathway) دارد. هر نوع احساس توسط عصب‌راهه‌ی معینی انتقال می‌یابد. اطلاعات مربوط به بینایی از اطلاعات شنیداری متمایز می‌شوند، زیرا در عصب‌راهه‌های گوناگونی حرکت می‌کنند. او همچنین کشف کرد که نشانه‌های نورون‌های حرکتی مغز به عضلات، عملاً با نشانه‌های نورون‌های حسی پوست به مغز مشابه‌اند و از اصل همه‌یا‌هیچ پیروی می‌کنند.

ادریان دامنه‌ی اصول نظری کاخال را به عرصه‌ی کارکردی گسترش داد و در ۱۹۳۲ به‌همراه شرینگتون جایزه‌ی نوبل فیزیولوژی یا پزشکی را دریافت کرد.


📓 در جست‌وجوی حافظه: پیدایش دانش نوین ذهن
✍ اریک کندل
®️ سلامت رنجبر

🆔 @Chekide_ha