آيا بيهوشي‌هاي معمولي باعث ايجاد گذار فاز در مغز مي‌شود؟

انجمن فيزيک ايران/ فرايند از دست‌دادن هوشياري در بيهوشي‌هاي معمولي مي‌تواند شامل يک گذار فاز در مغز باشد. اين حقيقت، نتيجه کار عده‌اي از دانشمندان در آمريکاست که مدل رياضياتي جديدي را از چگونگي برهم‌کنش نورون‌هاي مغز با يکديگر توسعه داده‌اند. اين مدل نشان مي‌دهد که کاهش کوچکي در مقدار اطلاعات تبادلي بين نورون‌ها مي‌تواند تقريبا منجر به از دست‌دادن ناگهاني هوشياري شود و ايجاد دوباره چنين تغييراتي در فعاليت الکتريکي مغز در زمان بيهوشي مشاهده شده است.

انتقال اطلاعات: تغيير کوچک اثر بزرگي دارد
بيهوشي‌ها معمولا در جراحي‌هاي پزشکي استفاده مي‌شوند و نکته غافلگير کننده اين است که دانشمندان به طور کامل نمي‌فهمند بيمار چگونه هوشياري خود را از دست مي‌دهد. تصويربرداري از سطح هوشياري يک بيمار در حين بيهوشي، عموما همان اندازه‌گيري امواج مغزي فرد است. اين امواج توسط تعداد بسيار زيادي از محرک‌هاي الکتريکي بين نورون‌ها ايجاد مي‌شود و يک ولتاژ قابل اندازه‌گيري بر روي سر ايجاد مي‌کند که مي‌تواند با استفاده از يک الکتروانسفالوگرام (EEG) ضبط شود. همبستگي بين اين امواج ضبط شده بر روي دو طرف مخالف سر نشان‌دهنده سطح هوشياري است و اين اطلاعات توسط متخصصان بيهوشي استفاده مي‌شود تا مقدار بيهوشي داده شده به بيمار را کنترل کنند.

يک پديده کلي
اگرچه اين رهيافت بيش از حد جنبه تجربي و عملي داشته با اين حال براي فهم اينکه بيهوشي چگونه منجر به عدم‌هوشياري مي‌شود، دانشمندان مدل‌هاي کامپيوتري را توسعه داده‌اند که تغييرات در فعاليت نوروني را بررسي مي‌کند. در سال 1997 جيمي اسلاي (Jamie Sleigh) از دانشگاه اوکليند و دانکن گلتلي (Duncan Galletly) از دانشگاه اوتاگو از مدل دو بعدي ساده و خوبي استفاده کردند تا نشان دهند چگونه از دست دادن آگاهي به کاهش بازدهي سيناپس‌‌هاي مغزي ارتباط دارد. اسلاي در اين باره مي‌گويد: «بيهوشي براي تمام حيواناتِ داراي سيستم عصبي يکسان است». او مي‌افزايد: « اين يک پديده بسيار عمومي و کلي است که مي‌تواند در سطح کاملا انتزاعي مدل‌سازي شود».

آخرين بررسي و مطالعه با مدل‌سازيِ چگونگي تبادل اطلاعات بين لايه‌هاي مختلف نورون‌ها، تحقيقات اوليه در اين رابطه را بهبود بخشيده است. مدلي که توسط فيزيکداني به نام يان زو (Yan Xu) و همکارانش در دانشگاه پيتزبرگ توسعه داده شده، سيگنال الکتريکي رسيده به يک گره يا ند (يک سيگنال نوروني يا مجموعه‌اي از نورون‌ها) را درون ناحيه تالاموس مغز (که مسئول ورودي‌هاي حسي است) بازسازي کرده و سپس سيگنال‌هاي حاصل شده‌‌اي که در لايه‌هاي متوالي بخش قشر مغز ايجاد شده و نقش اصلي در آگاهي را دارند شبيه‌سازي مي‌کند. ند‌ها در امتداد و درون لايه‌ها به يکديگر متصل هستند و احتمال جريان اطلاعات بين آن‌ها با استفاده از نظريه پرکولاسيون تعيين مي‌شود. نظريه پرکولاسيون به همراه نظريات ديگر، چگونگي جاري شدن آب در ميان دانه‌هاي قهوه را توضيح مي‌دهد.

تسهيل در ارتباط
زو و همکارانش با مقايسه اين مدل با جبهه‌موج‌هاي خروجي از EEG از بيماراني که چندين بار مورد بيهوشي قرار گرفتند مدل خود را مورد آزمون قرار دادند. تکرار و تنظيم ميزان بيهوشي در اين مدل به معناي تغيير مقدار پارامتر مستقل ρ است که مقاديري بين 0 و 1 دارد و وزن اطلاعات يا تسهيل در ارتباط بين ندهاي به هم متصل شده را تغيير مي‌دهد. از اين رو محققان دريافتند که بايد چندين تغيير اصلي در جبهه‌موج‌ افراد بيهوش بازتوليد کنند که شامل انتقال به فرکانس‌هاي کمتر و دامنه‌هاي بيشتر و همچنين همزماني بيشتر بين موج‌ها در ناحيه‌هاي مختلف پوسته مغز مي‌شود.

اين تيم همچنين دريافتند که تغيير فاز در درک حسي با اندک تغييري در پارامتر ρ روي مي‌دهد. آن‌ها اين کار را با مدل‌سازي چگونگي انتقال يک تصوير ديجيتالي مشهوري از اينشتين در شبکه عصبي به انجام رساندند. اين محققان نشان دادند که در 0/32=ρ شدت نور ضبط شده در ندهاي خروجي تنها باعث تشخيص سر و بخشي از موهاي اينشتين در تصوير مي‌شود، در حالي‌که در0/38 =ρ تصوير صحيح اينشتين بسيار واضح است.

«پارامتر اصلي»
زو که يک پروفسور بيهوشي است و به عنوان يک فيزيکدان نيز تعليماتي ديده در اين‌باره مي‌گويد :«نکته خارق‌العاده در اين است که با تغيير تنها يک پارامتر کليدي، شما مي‌توانيد شکل‌هاي بسيار مهمي از انتقال از يک حالت ناآگاه به يک حالت آگاه را فراهم آوريد». او پيشنهاد مي‌کند که دانشمندان تجربي‌کار، بايد مدل او را با اثبات اينکه آيا اثرات ناآگاهي بر روي نورون‌هاي دخيل در فرايند بازيادگيري اثر دارند يا نه مورد آزمون قرار دهند. او مي‌افزايد :«ما از جزئيات بسيار زياد بيولوژيکي صرف‌نظر مي‌کنيم. در عين حال آن جزئيات احتمالا براي اينکه هوشياري رخ دهد اهميت چنداني ندارند.» زو همچنين مي‌گويد: « ما سعي داريم تا تحقيقاتي را در مورد قوانين کلي و عمومي که براي هوشياري‌هاي ضروري مورد نياز است انجام دهيم».

پيتر مک‌کلينتاک (Peter McClintock)، فيزيکداني در دانشگاه لنکستر در بريتانيا، از اين نتايجِ «جالب و غافل‌گيرکننده» قدرداني مي‌کند و مي‌گويد اگرچه اين تحقيق تنها زماني فايده عملي خواهد داشته که به طريقي بتوان پارامتر ρ را اندازه‌گيري کرد. او مي‌گويد: «فهمِ بهبوديافته بايد ما را به اندازه‌هاي بهتري از عمق بيهوشي نزديک کند». اما او باور ندارد که اين مهم، فهم اساسي ما را از آگاهي تغيير چنداني خواهد داد. او مي‌گويد: « من گمان نمي‌کنم که ما درحال نزديک شدن به حل مساله ذهن-جسم باشيم». «اگرچه با جمع‌آوري دانش و ايده‌هاي جديد در حال گردش نزديک‌تري به دور آن هستيم».

اسلاي نيز با اين موضوع موافقت مي‌کند. او درباره مدل‌سازي زو و همکارانش مي‌گويد: «اين مدل به طور واضح گذارهاي بين بي‌حسي-بي‌هوشي را بازتاب مي‌کند، اما من مطمئن نيستم که اين مدل بتواند مساله سخت‌تر آگاهي (بشر) را حل کند».