هر مدار عصبی را می‌توان شبکه‌ پیچیده‌ای از نورون‌های به هم پیوسته در مغز دانست که مسئولیت پردازش و انتقال اطلاعات مختلف را بر عهده دارند و هدف فعالیت آن‌ها به انجام رساندن یک وظیفه خاص مانند پردازش اطلاعات حسی یا به حرکت در آوردن بخش‌های مختلف بدن است. مدار‌های عصبی امکان انجام فعالیت‌های گوناگونی، از قبیل  واکنش‌های ساده بازتابی تا عملکردهای شناختی سطح بالا را فراهم می‌کنند. این مدارها از طریق اتصالات سیناپسی بین نورون‌ها شکل می‌گیرند، بنابراین در ساختار یک مدار عصبی می‌توان نورون‌ها، سیناپس‌های متعدد و سلول‌های پشتیبان عصبی را مشاهده کرد.

در این مطلب از مجله فرادرس قصد آشنایی کامل با مدارهای عصبی را داریم، بنابراین در گام اول می‌گوییم که مدار عصبی چیست و با تعدادی از اصطلاحات مربوط به آن مانند پلاستیسیته عصبی آشنا می‌شویم. در گام دوم به سراغ اجزای مدارهای عصبی می‌رویم تا بتوانیم در حین مطالعه انواع مدارها، درک کاملی از شیوه فعالیت هر یک از انواع مدارهای عصبی موجود در سیستم عصبی به دست بیاوریم. برای شناخت کامل‌تر مدار عصبی باید مکانیسم فعالیت مدارها و عوامل موثر بر آن‌ها را نیز بشناسیم، بنابراین بخش‌هایی مجزا را به هر یک از این موارد اختصاص می‌دهیم. در بخش‌های پایانی مطلب نیز مدارهای عصبی مسئول پردازش حسی و مدارهای عصبی مسئول کنترل حرکت و روش‌های مطالعه مدارهای عصبی را می‌شناسیم.

مدار عصبی چیست؟

«مدار عصبی» (Neural Circuits) به شبکه‌ای از نورون‌ها گفته می‌شود که برای دستیابی به یک نتیجه خاص با یکدیگر در ارتباط بوده و همکاری می‌کنند. در حقیقت نورون‌ها هیچ‌وقت به صورت منفرد فعالیت نمی‌کنند و در قالب مدارهای عصبی مختلف سازمان‌دهی می‌شوند. مدار عصبی مسئول پردازش و انتقال اطلاعات از طریق اتصالات سیناپس‌ها است و به این شکل زیربنای تمام فعالیت‌های عصبی از جمله حافظه و یادگیری ساخته می‌شود.

یکی از راه‌های یادگیری نحوه فعالیت مدارهای عصبی، آشنایی با فیزیولوژی سیستم عصبی است که به ما امکان شناخت انواع نورون‌ها، سیناپس‌ها، نحوه انتقال ناقلین عصبی و غیره را می‌دهد؛ برای یادگیری این مباحث پیشنهاد می‌دهیم از فیلم آموزش فیزیولوژی سیستم عصبی مرکزی فرادرس استفاده کنید که لینک دسترسی به آن در کادر زیر درج شده است.

در کنار مدارهای عصبی ممکن است با اصطلاح «توده‌های نورونی» (Neuronal pool) نیز روبه‌رو شویم که به مجموعه‌ای از نورون‌ها گفته می‌شود که دارای عملکرد یا وظیفه مشترک هستند و از طریق پیام‌های شیمیایی یا الکتریکی با هم در ارتباط هستند. با ارائه این تعریف متوجه می‌شویم که عملکرد اصلی مدارهای عصبی پردازش هدف‌دار است در حالی که عملکرد اصلی توده‌های نورونی هماهنگی و هم‌افزایی در سطحی وسیع‌تر از سیستم عصبی است.

مهم‌ترین سلول‌های سازنده سیستم عصبی نورون‌ها هستند که روش‌های متفاوتی برای دسته‌بندی انواع مختلف آن‌ها وجود دارد اما در هنگام بررسی مدارهای عصبی باید فعالیت نورون‌ها را هدف قرار دهیم. نورون‌ها بر اساس فعالیتی که بر عهده دارند به سه گروه تقسیم می‌شوند، بنابراین در مدارهای عصبی شاهد حضور انواع نورون‌های زیر هستیم.

1. «نورون‌های آوران» (Afferent neurons): نورون‌های آوران اطلاعات را نقاط مختلف بدن به سمت سیستم عصبی مرکزی یعنی مغز و نخاع می‌برند.
2. «نورون‌های وابران» (Efferent neurons): نورون‌های وابران مسئول انتقال اطلاعات یا پیام‌های عصبی از مغز یا نخاع به بخش‌های مختلف بدن هستند.
3. «نورون‌های رابط» (Interneurons | IN): نورون‌های رابط مسئول برقراری ارتباط بین نورون‌های آوران و وابران هستند.
   

   

ارتباط این نورون‌های مختلف با یکدیگر در هر مدار عصبی از طریق ارتباط انتهای آکسونی یک نورون با دندریت‌های نورونی دیگر در ناحیه سیناپس صورت می‌گیرد. بنابراین به طور معمول در ناحیه سیناپس‌های مدارهای عصبی شبکه‌ای متراکم از موارد زیر را می‌بینیم.

به چنین ناحیه‌ای در سیستم عصبی بدن «نوروفیل» (Neuropil) می‌گوییم. در ناحیه نوروفیل سیناپس‌های زیادی وجود دارد و تعداد اجسام سلولی به نسبت کم است، بنابراین در این ناحیه شاهد انتقال پیام بین نورون‌های مختلف هستیم. بزرگ‌ترین و متراکم‌ترین نوروفیل‌ها در مغز به وجود می‌آیند، به عنوان مثال نواحی نئوکورتکس و پیاز بویایی نوروفیل‌های متعددی دارند.

مدارهای عصبی متفاوتی که در بخش‌های مختلف مغز وجود دارند، فعالیت‌های متفاوتی را بر عهده دارند، به عنوان مثال قشر بینایی اطلاعات بصری را پردازش می‌کند، در حالی که قشر شنوایی مسئولیت پردازش اطلاعات شنوایی را بر عهده دارد. با وجود فعالیت تخصصی هر بخش، این مدارها به یکدیگر مرتبط هستند و همین ارتباط به آن‌ها امکان انجام فعالیت‌های پیچیده مغز را می‌دهد.

در هنگام مطالعه مدارهای عصبی متوجه می‌شویم که این مدارها توانایی تغییر کردن و سازگار شدن بر اساس تجربه‌های مختلف را دارند، این توانایی را با عنوان «پلاستیسیته عصبی» (Neuroplasticity) می‌شناسیم. در فرآیند پلاستیسیته عصبی، سیستم عصبی با شناسایی یک موقعیت یا نیاز خاص ارتباطات تازه‌ای میان نورون‌های خود می‌سازد که امکان پاسخ‌گویی به موقعیت را به سیستم عصبی می‌دهد.

شیوه فعالیت مدارهای عصبی را می‌توان در سه مرحله یا بخش بررسی کرد که در ادامه به معرفی آن‌ها می‌پردازیم تا اطلاعات مختصری به دست بیاوریم.

1. «ورودی» (Input): اطلاعات حسی یا پیام‌هایی از سایر مدارها توسط نورون‌های آوران دریافت می‌شوند.
2. «پردازش» (Processing): نورون‌های رابط با پردازش اطلاعات ورودی، آن‌ها را با سایر پیام‌های دریافتی ادغام می‌کنند و در صورت لزوم تغییراتی در پیام‌ها ایجاد می‌کنند.
3. «خروجی» (Output): نورون‌های وابران اطلاعات پردازش شده را به بخش‌های مختلف سیستم عصبی یا اندام‌های هدف منتقل می‌کنند که این کار باعث ایجاد پاسخ‌های متفاوت می‌شود.

یادگیری زیست شناسی با فرادرس

زیست‌شناسی دارای شاخه‌های متعددی است به همین دلیل هر موضوعی را می‌توان از زاویه دیدهای متفاوتی بررسی کرد؛ به عنوان مثال موضوع مدار عصبی که در این مطلب به آن می‌پردازیم در مطالعات فیزیولوژی، آناتومی و هیستولوژی به شیوه‌های متفاوتی بررسی می‌شود. به همین دلیل توصیه می‌کنیم برای یادگیری بهتر هر موضوعی پیش از شروع روند یادگیری تصمیم بگیرید که کدام زیرشاخه برای شما از اهمیت بالاتری برخوردار است و سپس مسیر یادگیری خود را متناسب با آن طی کنید.

به عنوان مثال در صورتی که شناخت بافت عصبی و فعالیت آن برای شما مهم است، توصیه می‌کنیم ابتدا با استفاده از فیلم‌های آموزشی کاربردی با سلول‌های عصبی آشنا شوید، سپس به بررسی بافت‌ عصبی بپردازید و در نهایت فیزیولوژی عصبی را بیاموزید. فرادرس با تهیه برنامه‌ریزی آموزشی جامع مسیرهای یادگیری مختلف را شناسایی و متناسب با هر یک از آن‌ها دوره‌های آموزشی متفاوت را منتشر کرده است که در ادامه تعدادی از آن‌ها را معرفی می‌کنیم.

اجزای مدارهای عصبی

برای شناخت بهتر مدارهای عصبی باید اجزای سازنده مدارهای عصبی را بشناسیم. شاید به طور کلی بتوان گفت که مدارهای عصبی حاصل اجتماع نورون‌ها هستند اما در این میان باید به یاد داشته باشیم که فعالیت نورون‌ها وابستگی زیادی به سلول‌های گلیا دارد که به عنوان سلول‌های پشتیبان در سیستم عصبی بدن شناخته می‌شوند.

در کنار نورون‌ها و سلول‌های گلیا باید به اهمیت سیناپس‌ها در فعالیت مدارهای عصبی نیز اشاره کنیم، زیرا سیناپس‌ها محل برقراری ارتباط نورون ها با یکدیگر هستند و شناخت انواع مختلف آن‌ها می‌تواند به درک فعالیت انواع مختلف مدارهای عصبی کمک کند. در ادامه توضیحات مختصری در مورد هر یک از این سه بخش نام برده ارائه می‌دهیم، سپس به سراغ معرفی انواع مدارهای عصبی موجود در سیستم عصبی بدن می‌رویم.

نورون‌ها

نورون‌ها که به عنوان واحدهای سیستم عصبی شناخته می‌شوند، در مدارهای عصبی مختلف سازمان‌دهی می‌شوند تا اطلاعات خاصی را پردازش کنند؛ یعنی نورون‌های موجود در یک مدار عصبی مسئول پردازش اطلاعات متفاوتی نسبت به نورون‌های سازنده مدار عصبی دیگری هستند و به این ترتیب می‌توان گفت که مدارهای عصبی مختلف دارای فعالیت‌های منحصر به فرد هستند. نورون‌های مختلف موجود در سیستم عصبی را می‌توان به روش‌های مختلفی دسته‌بندی کرد اما برای بررسی مدارهای عصبی باید فعالیت نورون‌ها را معیار قرار دهیم و به این ترتیب با سه نوع نورون زیر آشنا می‌شویم.

1. نورون‌های حسی: اطلاعات را از گیرنده‌های حسی دریافت کرده و به سیستم عصبی مرکزی منتقل می‌کنند.
2. نورون‌های حرکتی: پیام‌های سیستم عصبی مرکزی را به اندام‌های هدف یعنی ماهیچه‌ها یا غدد منتقل می‌کنند.
3. نورون‌های رابط: نورون‌های رابط مسئول پردازش اطلاعات محلی در هر مدار عصبی هستند و نورون‌های دیگر را به یکدیگر متصل می‌کنند.

شناخت نورون‌ها تاثیر زیادی در درک بهتر فعالیت مدارهای عصبی دارد، بنابراین در صورتی که تمایل به شناخت بهتر ساختار و فعالیت این سلول‌های تخصص یافته دارید، توصیه می‌کنیم که مطلب «نورون چیست؟ – به زبان ساده + ساختار، انواع و وظایف» از مجله فرادرس را مطالعه کنید.

سیناپس‌ها

سیناپس‌ها محل‌هایی هستند که نورون‌ها با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. سیناپس‌ها به طور معمول بین پایانه آکسونی یک نورون و دندریت نورون دیگر قرار دارند اما در سیستم عصبی می‌توانیم سیناپس‌های بین آکسون و جسم سلولی و آکسون و آکسون را نیز ببینیم. انواع مختلف سیناپس‌ها را می‌توان در دو گروه طبقه‌بندی کرد که در ادامه با آن‌ها آشنا می‌شویم.

1. سیناپس‌های شیمیایی: در سیناپس‌های شیمیایی انتقال پیام از طریق آزادسازی انتقال‌دهنده‌های عصبی انجام می‌شود. یعنی این ناقل‌های عصبی از نورون پیش‌سیناپسی به شکاف سیناپسی آزاد می‌شوند و به گیرنده‌های خود روی سطح نورون پس‌سیناپسی متصل می‌شوند.
2. سیناپس‌های الکتریکی: در سیناپس‌های الکتریکی یون‌ها به طور مستقیم از اتصالات شکاف‌دار که یکی از انواع اتصالات سلولی هستند عبور می‌کنند و از نورون پیش‌سیناپسی به نورون پس‌سیناپس منتقل می‌شوند. سیناپس‌های الکتریکی به دلیل همین ماهیت ویژه خود، دارای سرعت انتقال پیام بالاتری نسبت به سیناپس‌های شیمیایی هستند.

سلول‌های گلیا

«سلول‌های گلیا» (Glial Cells) وظیفه حمایت از نورون‌ها و تنظیم فعالیت آن‌ها را بر عهده دارند. حضور و فعالیت این سلول‌ها برای حفظ هومئوستازی، پاکسازی بقایای سلولی و ساخت غلاف میلین ضروری است. با وجود آن‌که سلول‌های گلیا در پردازش پیام‌های عصبی نقش مستقیم ندارند، فعالیت آن‌ها برای فعالیت درست سیستم عصبی حیاتی است و بدون حضور این سلول‌ها، نورون‌ها قادر به پردازش و انتقال درست پیام‌های الکتریکی نیستند.

انواع مدارهای عصبی

با بررسی انواع مدارهای عصبی می‌توان به چگونگی پردازش و پاسخ‌دهی مغز به اطلاعات مختلف پی برد، بنابراین در این بخش قصد معرفی انواع مدارهای عصبی را داریم که روش‌های مختلفی برای دسته‌بندی آن‌ها وجود دارد. در یکی از این انواع دسته‌بندی‌ها با دو مدار عصبی زیر آشنا می‌شویم.

1. «مدارهای عصبی بازخوردی» (feedback Neural Circuits)
2. «مدار عصبی پیش‌رونده» (feedforward Neural Circuits)

در ادامه بخش‌هایی مجزا را به هر یک از این دسته‌ها اختصاص می‌دهیم تا با آن‌ها بیشتر آشنا شویم ولی به طور کلی می‌توان گفت که مدارهای عصبی بازخوردی پردازش دقیقی دارند و همین ویژگی باعث می‌شوند که آن‌ها برای فعالیت‌هایی مانند یادگیری یا سازگاری با شرایط مناسب باشند. مدارهای عصبی پیش‌رونده مناسب فعالیت‌هایی هستند که نیازمند پاسخ‌های سریع هستند، بنابراین مواردی مانند رفلکس‌های بدن توسط مدارهای عصبی پیش‌رونده مدیریت می‌شوند. روش دیگری که برای دسته‌بندی مدارهای عصبی وجود دارد، مدارها را بر اساس ساختار و پیچیدگی آن‌ها در دو دسته زیر طبقه‌بندی می‌کند.

• «میکرومدار» (Microcircuit): نورون‌های سازنده این مدارها اتصالاتی کوتاه‌برد و محلی دارند.
• «ماکرومدار» (Macrocircuit): نورون‌های سازنده این مدارها اتصالاتی پیچیده با برد بلند دارند؛ در اصل ماکرومدارها دارای چندین میکرومدار در ساختار خود هستند.

نکته‌ای که در مورد نورون‌های سازنده مدارهای عصبی مختلف باید به یاد داشته باشیم این است که هر نورون هم می‌تواند پیام عصبی ارسال کند و هم می‌تواند پیام‌های عصبی را دریافت کند و بسته به نوع سیناپس‌هایی که بین نورون‌ها وجود دارد، پیام‌های عصبی می‌توانند تحریکی یا مهاری باشند. در کنار این نکته، الگوی برقراری اتصالات سیناپسی بین نورون‌های هر مدار عصبی نیز مهم است. در بررسی اتصالات سیناپسی نورون‌های مدارهای عصبی مختلف متوجه می‌شویم که چهار الگوی اصلی برای این اتصالات وجود دارد، در نتیجه می‌توان مدارها را بر پایه الگوی فعالیت آن‌ها نیز دسته‌بندی کرد.

1. «مدار واگرا» (Diverging circuit)
2. «مدار همگرا» (Converging circuit)
3. «مدار بازتابی» (Reverberating)
4. «مدار موازی پس از تخلیه» (Parallel After-Discharge Circuit)

برای شناخت بهتر هر یک از این انواع مدارها در ادامه بخش‌هایی را به معرفی هر یک اختصاص می‌دهیم زیرا این چهار دسته را به عنوان انواع اصلی مدارهای عصبی می‌شناسیم که مسئولیت اکثر فعالیت‌های سیستم عصبی را بر عهده دارند.

مدارهای عصبی بازخوردی

پیام‌های عصبی در مدارهای عصبی بازخوردی به نورون قبلی یا به بیان دیگر به بخش قبلی پردازش پیام باز می‌گردد. این ویژگی باعث می‌شود که مدار عصبی این امکان را داشته باشد که فعالیت خود را بر اساس اطلاعات خروجی تنظیم کند. این توانایی در فرآیندهایی که نیازمند تنظیم و اصلاح مداوم هستند از اهمیت بالایی برخوردار است.

برای درک بهتر شیوه فعالیت مدار عصبی بازخوردی می‌توان فعالیت این دسته از مدارها را با سیستم ترموستات مقایسه کرد که دمای محیط را تنظیم می‌کند. شیوه کار سیستم ترموستات به این صورت است که با افزایش دمای اتاق و گذر از حد مطلوب، ترموستات سیگنالی به سیستم گرمایش یا سرمایش می‌فرستد تا دمای اتاق را تنظیم کند و جلوی افزایش بیش از حد دما را بگیرد. فعالیت مدارهای بازخوردی نیز مشابه با همین فعالیت است، یعنی این مدارها پاسخ‌های عصبی را برای حفظ تعادل یا رسیدن به هدفی خاص تنظیم می‌کنند. مدارهای عصبی بازخوردی چند ویژگی مهم و کلیدی دارند که در ادامه به آن‌ها اشاره می‌کنیم.

• «خودتنظیمی» (Self-Regulation): این نوع از مدارهای عصبی توانایی تنظیم فعالیت‌های خود بر اساس اطلاعات خروجی با هدف حفظ پایداری سیستم را دارند.
• «اصلاح خطا» (Error Correction): مدارهای عصبی بازخوردی می‌توانند واکنش‌ها و پاسخ‌های خود را اصلاح و بهینه‌سازی کنند.

توانایی خودتنظیمی مدارهای عصبی بازخوردی باعث می‌شود که این مدارها مناسب فعالیت‌هایی باشند که نیازمند دقت بالا هستند، به عنوان مثال وظایفی مانند کنترل حرکات بدن یا پالایش ورودی‌های حسی از جمله فعالیت‌هایی هستند که تحت کنترل مدارهای عصبی بازخوردی هستند.

فعالیت مدارهای عصبی بازخوردی تنها به پایداری و سازگاری محدود نمی‌شود، این مدارهای عصبی می‌توانند قدرت یادگیری و حافظه را از طریق قدرت تقویت پیام‌های عصبی بهبود دهند. مدارهای بازخوردی با پردازش پیام‌های ورودی، بازخوردی ایجاد می‌کنند که ارتباطات سیناپسی را ضعیف یا تقویت می‌کند. این فرآیند از طریق مکانسیم‌های مختلفی مانند «تقویت طولانی مدت» (Long-Term Potentiation | LTP) انجام می‌شود. این بازخورد می‌تواند باعث افزایش بهره‌وری مسیرهای عصبی شود و به این ترتیب سرعت بازیابی حافظه افزایش می‌یابد و پاسخ‌های ایجاد شده نیز از سرعت و دقت بالاتری برخوردار خواهند بود.

حلقه های بازخورد و تنظیم مدارهای عصبی

در بخش قبل گفتیم که حلقه‌های بازخورد باعث تضعیف یا تقویت فعالیت مدارهای عصبی می‌شوند، بنابراین ما دو دسته بازخورد در مدارهای عصبی داریم که با عناوین زیر شناخته می‌شوند.

1. «حلقه بازخورد مثبت» (Positive Feedback Loops): این حلقه باعث تقویت فعالیت مدار عصبی می‌شود، یعنی خروجی مدار باعث افزایش میزان تحریک نورونی می‌شود.
2. «حلقه بازخورد منفی» (Negative Feedback Loops): این حلقه منجر به تضعیف فعالیت مدار عصبی می‌شود، یعنی خروجی مدار باعث کاهش تحریک نورون بعدی می‌شود.

در صورتی که فعالیت حلقه بازخورد مثبت از کنترل خارج نشود، ممکن است فعالیت مدار عصبی باعث آسیب به بدن شود، به عنوان مثال فعالیت بیش از حد این مدار می‌تواند باعث تشنج یا حرکات غیرارادی شدید شود. در مقابل، بازخورد منفی نقش مهمی در حفظ پایداری فعالیت سیستم عصبی دارد.

مدار عصبی پیش رونده

مدارهای عصبی پیش‌رونده دسته دیگری از مدارهای عصبی موجود در سیستم عصبی بدن هستند که بر خلاف مدارهای عصبی بازخوردی، اطلاعات را تنها در مسیری یک‌طرفه منتقل می‌کنند، یعنی جهت حرکت اطلاعات در این مدارها از ورودی به سمت خروجی است، بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که در مدارهای عصبی پیش‌رونده هیچ حلقه بازگشتی برای بازگرداندن پیام به مراحل قبلی وجود ندارد.

این دسته از مدارهای عصبی مناسب پردازش سریع و کارآمد اطلاعات حیاتی هستند و در پاسخ‌های فوری مغز به محرک‌های مختلف نقشی حیاتی دارند. یکی از بهترین مثال‌ها برای معرفی مدارهای عصبی پیش‌رونده «قوس‌ بازتابی» یا «قوس‌ رفلکسی» (Reflex Arc) است که در پاسخ به درد ناگهانی مانند زمانی که جسمی تیز یا داغ را لمس می‌کنیم به ما کمک می‌کند که آسیب نبینیم.

نورون‌های حسی در قوس بازتابی با حس محرک‌ها، پیام‌های عصبی را ایجاد کرده و بلافاصله به نورون‌های حرکتی منتقل می‌کنند تا عضلات منقبض شوند و اندامی که در خطر است (مانند دست) به عقب کشیده شود. در مورد قوس بازتابی باید این نکته را به یاد داشته باشیم که پاسخ آن بدون دخالت مستقیم مغز ایجاد می‌شود.

مدارهای عصبی پیش‌رونده دو ویژگی مهم دارند که در ادامه با آن‌ها آشنا می‌شویم.

• سرعت پاسخ‌دهی بالا: مسیرهای مستقیم این امکان را ایجاد می‌کنند که پردازش اطلاعات با سرعت بیشتری انجام شود.
• پردازش ساده و پر بازده: پیام‌های عصبی در مدارهای عصبی پیش‌رونده بدون تاخیر یا وقفه، به‌صورت متوالی از یک نورون به نورون بعدی منتقل می‌شوند.

انتقال مستقیم پیام‌های عصبی در مدارهای پیش‌رونده برای فعالیت‌هایی سود زیادی دارد که نیازمند تصمیم‌گیری و اجرای سریع هستند؛ از جمله این فعالیت‌ها می‌توان به «اعمال انعکاسی» (Reflex Actions) و پردازش‌های اولیه در مسیرهای بینایی اشاره کرد.

یکی از نکاتی که در زمان سنجش دقت فعالیت مدارهای عصبی پیش‌رونده مدنظر داشت این است که اصل اول فعالیت این مدارها سرعت واکنش است، بنابراین ممکن است مسیرهای مستقیم مدارهای پیش‌رونده باعث شوند که پاسخ‌های ایجاد شده بیش از حد ساده و بی‌دقت باشند و از ظرافت‌هایی که برای بسیاری از فعالیت‌ها نیاز داریم برخوردار نباشند.

مدار واگرا

در مدارهای واگرا یک نورون پیام عصبی را به چند نورون پس‌سیناپسی ارسال می‌کند. هر یک از این نورون‌ها نیز می‌توانند با چند نورون دیگر سیناپس بدهند، به این ترتیب یک نورون می‌تواند پیام عصبی را به هزاران سلول برساند. مثالی از فعالیت مدارهای واگرا را می‌توان در هنگام تحریک عضلات مشاهده کرد، به این صورت که در هنگام تحریک سیستم حرکتی تنها یک نورون حرکتی قادر به تحریک هزاران فیبر ماهیچه‌ای است.

مدار همگرا

فعالیت مدارهای همگرا برعکس مدارهای واگرا است، یعنی پیام‌های رسیده از چند منبع مختلف به یک نورون یا یک مدار عصبی ختم می‌شود. مدارهای همگرا مسئول ادغام اطلاعات از منابع مختلف هستند و نمونه بارز آن‌ها را می‌توان مرکز تنفسی در ساقه مغز دانست که با توجه به اطلاعات متفاوتی که از نقاط مختلف بدن دریافت می‌کند، الگوی تنفسی مناسبی را ایجاد می‌کند تا نیازهای بدن به خوبی تامین شوند.

مدار بازتابی

مدارهای بازتابی قادر به تولید خروجی‌های تکرارشونده هستند. در این نوع از مدارهای عصبی، پیام عصبی از نورونی به نورون دیگر به صورت خطی و متناوب منتقل می‌شود اما یکی از نورون‌های مسیر قادر است که پیامی را به عقب بازگرداند و نورون ابتدایی مسیر را تحت تاثیر قرار دهد. این پیام‌رسانی به نورون ابتدایی که آن را نوعی بازخورد در نظر می‌گیریم، باعث تحریک مجدد نورون ابتدایی و تداوم پیام‌رسانی در مدار عصبی می‌شود. نتیجه چرخه فعالیت نورون‌های سازنده مدار بازتابی این است که الگویی تکرار شونده از فعالیت نورونی ایجاد می‌شود، این الگو تنها ممکن است در دو حالت زیر متوقف شود.

1. یک یا تعدادی از سیناپس‌ها از کار بیفتند.
2. یک سیگنال مهاری از منبعی خارج از مدار بازتابی باعث توقف چرخه شود.

یکی از مثال‌های مدار بازتابی را می‌توان مرکز تنفس مغز دانست که برای تنظیم تنفس به طور مرتب پیام‌هایی را به ماهیچه‌های تنفسی ارسال می‌کند، زیرا عمل دم حاصل انقباض این عضلات است. برای بازدم و توقف پیام‌رسانی به عضلات تنفسی نیز باید سیگنال مهاری بر فعالیت مدار اثر بگذارد.

مدار موازی پس از تخلیه

شیوه فعالیت مدارهای موازی پس از تخلیه به این صورت است که یک نورون پیام عصبی را به چند زنجیره نورونی ارسال می‌کند، هر زنجیره شامل تعدادی نورون است اما باید این نکته را در نظر داشت که تعداد نورون‌های سازنده زنجیره‌های مختلف متفاوت است و امکان دارد که به عنوان مثال در ساخت یک زنجیره ۲ نورون نقش داشته باشند در حالی که زنجیره دیگری از ۵ نورون تشکیل شده باشد. در نهایت در بخش پایانی مدار می‌بینیم که همه این زنجیره‌های نورونی به یک نورون پایانی یا خروجی مشترک ختم می‌شوند.

هر سیناپسی که در مسیرهای انتقال پیام وجود دارد باعث می‌شود که در انتقال پیام تاخیری در حدود ۰‎‎/۵ میلی‌ثانیه به وجود بیاید. با توجه به این نکته می‌توان متوجه شد که هر چه تعداد سیناپس‌ها در زنجیره بیشتر باشد، یعنی تعداد نورون‌های سازنده زنجیره بیشتر باشد، پیام عصبی با تاخیر بیشتری به نورون پایانی می‌رسد. این موضوع باعث می‌شود که با وجود به پایان رسیدن فرآیند ایجاد پیام عصبی توسط نورون ابتدایی، نورون پایانی همچنان برای مدتی تحت تاثیر پیام عصبی تولید شده توسط نورون ابتدایی باشد. این پدیده را با عنوان «تخلیه پس از تحریک» (After-Discharge) می‌شناسیم.

این دسته از مدارهای عصبی نیازی به داشتن حلقه‌های بازخوردی ندارند و به همین دلیل فعالیت آن‌ها را نمی‌توان مشابه با فعالیت مدارهای بازتابی دانست. مثال رایج مدارهای موازی پس از تخلیه را می‌توان برخی از قوس‌های عصبی دخیل در رفلکس‌ها دانست.

مکانیسم فعالیت مدار عصبی

مدارهای عصبی ساختارهای پایه فعالیت مغز هستند و تعیین این موضوع که اطلاعات مختلف چطور پردازش و منتقل شوند بر عهده مدارهای عصبی مختلفی است که در ساختار مغز و دیگر بخش‌های سیستم عصبی بدن وجود دارند. درک شیوه عملکرد مدارهای عصبی مختلف به ما این امکان را می‌دهد که درک عمیق‌تری نسبت به سازوکارهای سیستم عصبی و توانایی حیرت‌انگیز مغز در تفسیر و واکنش به محرک‌‌های مختلف به دست بیاوریم. روند فعالیت مدارهای عصبی را می‌توان در سه مرحله مختلف بررسی کرد که در ادامه به معرفی آن‌ها می‌پردازیم.

1. ورود: مدار عصبی اطلاعات را از نورون‌های دیگر یا گیرنده‌های حسی دریافت می‌کند.
2. پردازش پیام: اطلاعات دریافتی در مدار عصبی توسط مجموعه‌ای از نورون‌های رابط پردازش می‌شود و در حین انتقال پیام در طول مدار عصبی سیگنال‌ها دچار تغییر می‌شوند.
3. خروج: مدار عصبی پیام عصبی را در نهایت به نورون‌های دیگر، ماهیچه‌ها یا غدد منتقل می‌کند تا باعث ایجاد پاسخ در آن‌ها شود.

انتقال پیام عصبی در مدارهای عصبی

نقطه آغاز مسیر پیام عصبی در مدارهای عصبی را می‌توان جایی دانست که یک نورون پیام عصبی را دریافت می‌کند. دریافت پیام توسط نورون‌ها اغلب در دندریت‌ها انجام می‌شود و با احتمال کمتری یک نورون می‌تواند پیام عصبی را در ناحیه جسم سلولی نیز دریافت کند. این سیگنال الکتریکی که «پتانسیل عمل» (Action Potential) نام دارد، در طول آکسون نورون حرکت می‌کند تا اطلاعات را از نورونی به نورون دیگر منتقل کند و همان‌طور که می‌دانیم این انتقال پیام در ناحیه سیناپس‌ها انجام می‌شود. انتقال پیام الکتریکی از نورونی به نورون دیگر را می‌توان در ۳ مرحله اصلی بررسی کرد که در ادامه با آن‌ها آشنا می‌شویم.

1. «انتقال سیناپسی» (Synaptic Transmission): در این مرحله شاهد آزادسازی انتقال‌دهنده‌های عصبی از پایانه آکسونی به شکاف سیناپسی هستیم.
2. «اتصال به گیرنده» (Receptor Binding): انتقال‌دهنده‌های عصبی به گیرنده‌های خود روی سطح نورون هدف متصل می‌شوند و باعث به راه افتادن پاسخ مربوطه در نورون پس‌سیناپسی می‌شوند.
3. «انتشار پیام» (Propagation): در صورتی که تحریک کافی باشد، پتانسیل عمل در نورون گیرنده به راه می‌افتد و در طول آن حرکت می‌کند تا پیام عصبی به نورون‌های بعدی نیز منتقل شود.

این فرآیند به مدارهای عصبی اجازه می‌دهد تا پیام‌ها را به‌طور موثر منتقل کرده و پاسخ‌های دقیق و به‌موقعی به محرک‌ها داشته باشند. یکی از نکاتی که در مورد انتقال پیام عصبی در طول نورون‌ها اهمیت بالایی دارد این است که آکسون میلینه شده است یا خیر، زیرا حضور غلاف میلینی در اطراف آکسون باعث افزایش سرعت انتقال پیام‌های عصبی می‌شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد میلین و تاثیر آن بر سرعت حرکت پیام در طول آکسون، پیشنهاد می‌دهیم که مطلب «آکسون چیست؟ – به زبان ساده» از مجله فرادرس را مطالعه کنید.

عوامل موثر بر فعالیت مدارهای عصبی

عملکرد مدارهای عصبی تحت تاثیر عوامل متعددی است که می‌توانند ظرفیت یادگیری تا مهارت‌های حرکتی را تحت تاثیر قرار دهند. به طور کلی می‌توان گفت که این عوامل شامل ژنتیک، اثرات محیط و سبک زندگی هستند، اما اگر بخواهیم بررسی دقیق‌تر و ریز‌بینانه‌تری داشته باشیم باید بگوییم که عوامل زیر بیشترین تاثیر را بر فعالیت مدارهای عصبی دارند.

1. «سطوح انتقال‌دهنده‌های عصبی» (Neurotransmitter Levels): عدم تعادل در سطح انتقال‌دهنده‌های عصبی مختلف باعث ایجاد اختلال در ارتباط نورون‌ها می‌شود.
2. «پلاستیسیته سیناپسی» (Synaptic Plasticity): توانایی سیناپس‌ها یا ارتباطات بین نورون‌ها در تغییر قدرت و کارآیی مدار عصبی از نقشی غیرقابل انکار برخوردار است. پلاستیسیته سیناپسی در مواردی مانند یادگیری، حافظه و سازگاری مغز با تجربه‌های جدید بسیار مهم است.
3. «ژنتیک» (Genetics): ژنتیک متفاوت افراد مختلف می‌تواند زمینه‌ساز رفتارهای خاص مدارهای عصبی یا حتی اختلالات مدارها باشد.
4. «عوامل محیطی» (Environmental Factors): تجربه‌های مختلف و تحریک‌های حسی محیط می‌توانند بر شیوه گسترش و سازگاری مدارهای عصبی اثر بگذارند.

این عوامل با یکدیگر ارتباطی پیچیده دارند و همین موضوع به ما نشان می‌دهد که برای مطالعه عملکرد فعالیت مدارهای عصبی باید رویکردی چندوجهی داشت. مطالعات مختلف به ما نشان داده‌اند که تجربیات محیطی نقش بسیار مهمی در شکل‌گیری فعالیت مدارهای عصبی دارند و این نقش را از طریق مکانیسم‌هایی مانند «پلاستیسیته وابسته به تجربه» (Experience-Dependent Plasticity) اعمال می‌کنند.

به عنوان مثال اولین تجربیات حسی در زندگی می‌تواند بر سازمان‌دهی و کارآیی مدارهای عصبی تاثیر بگذارد و این موضوع را می‌توان در رشد مهارت‌هایی مانند یادگیری زبان مشاهده کرد. به بیان دیگر هر چه بیشتر در معرض حس و داده‌های مختلف در سال‌های اولیه زندگی باشیم، مدارهای عصبی متفاوتی نیز در سیستم عصبی شکل می‌گیرند، اما شکل‌گیری مدارهای عصبی تنها وابسته به این سال‌های ابتدایی نیست و سیستم عصبی قادر است که در پاسخ به محرک‌های خارجی مدارهای عصبی خود را تغییر دهد و سازگاری لازم را به دست بیاورد.

مدارهای عصبی مسئول پردازش حسی

«مدارهای عصبی مسئول پردازش حسی» (Sensory Processing Neural Circuits) مدارهایی تخصصی هستند که مسئولیت مدیریت پردازش داده‌های حسی دریافتی از محیط پیرامون ما را بر عهده دارند. این مدارها محرک‌های خارجی را به پیام‌های عصبی تبدیل می‌کنند که مغز ما قابلیت پردازش آن‌ها را دارد و به این ترتیب مغز می‌تواند به اتفاقات پیرامون واکنش‌ها مناسب نشان دهد و درکی از محیط اطراف داشته باشد. این دسته از مدارها ویژگی‌های خاصی دارند که در ادامه به آن‌ها می‌پردازیم.

• «شبکه‌های یکپارچه» (Integrated Networks): اطلاعات حسی از حواس مختلف مانند بینایی، شنوایی، لامسه و غیره با یکدیگر ادغام می‌شوند تا تصویری منسجم و یکپارچه از محیط ساخته شود.
• «پردازش بر اساس سلسله مراتب» (Hierarchical Processing): اطلاعات در چندین سطح از مغز پردازش می‌شوند و در هر سطح از اطلاعات کسب شده جزئیات دقیق‌تری استخراج می‌شود.
• «میدان پیام گیر» (Receptive Fields): به محرک‌های حسی مختلف توسط نورون‌های خاص هر محرک پاسخ داده می‌شود.

برای درک بهتر فعالیت مدارهای عصبی مسئول پردازش حسی می‌توانیم سیستم بینایی را به عنوان یک مثال از این مدارها بررسی کنیم. فوتورسپتورها یا گیرنده‌های نوری موجود در سیستم بینایی نور را شناسایی می‌کنند و آن را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند. این پیام‌های الکتریکی از طریق عصب بینایی به قشر بینایی مغز منتقل می‌شوند. قشر بینایی مسئول پردازش اطلاعات دریافتی از چشم است و به این ترتیب می‌تواند با استفاده از اطلاعات دریافتی تصاویری قابل تشخیص که رنگ، عمق و حرکت دارند برای ما بسازد.

این مدارهای در «پردازش موازی» (Parallel Processing) نیز نقش دارند، یعنی ابعاد مختلف یک محرک مانند رنگ، حرکت، شکل در مورد محرک‌های دریافت شده توسط سیستم بینایی، به صورت همزمان توسط مسیرهای متفاوت پردازش می‌شوند.

مدارهای عصبی مسئول کنترل حرکت

«مدارهای عصبی مسئول کنترل حرکت» (Motor Control Neural Circuits) وظیفه برنامه‌ریزی، اجرا و اصلاح حرکات بدن را بر عهده دارند. این مدارها با دریافت اطلاعات حسی ورودی، فعالیت خود را به نحوی تنظیم می‌کنند که بتوانند متناسب با شرایط محیطی پاسخی مناسب ایجاد کنند و به این ترتیب فعالیت‌های فیزیکی بدن روان، هماهنگ و دقیق خواهند بود. بخش‌های اصلی مدار عصبی مسئول کنترل حرکت را می‌توان سه موردی دانست که در ادامه آن‌ها را معرفی می‌کنیم.

1. «قشر حرکتی» (Motor Cortex): قشر حرکتی محل آغاز پیام‌های مربوط به حرکات ارادی است، بنابراین از این قشر پیام‌هایی به سمت عضلات مختلف ارسال می‌شود.
2. «عقده‌های قاعده‌ای» (Basal Ganglia) و «مخچه» (Cerebellum): این دو بخش از سیستم عصبی مسئول تنظیم و هماهنگی حرکات هستند و مطمئن می‌شوند که حرکات ما دقیق و هماهنگ باشند.
3. «مکانیسم‌های بازخوردی» (Feedback Mechanisms): مکانیسم‌های بازخوردی از اطلاعات حسی استفاده می‌کنند تا حرکات را متناسب با زمان تصحیح کنند و به این ترتیب دقت حرکت حفظ می‌شود.

برای درک فعالیت این مدارهای عصبی تصور کنید قصد برداشتن یک شیء ظریف از روی میز را دارد. مدار حرکتی مطمئن می‌شود که دست شما آرام و نرم به سمت شیء حرکت کند. سپس قدرت لازم برای بلند کردن آن را محاسبه می‌کند و متناسب با آن انقباض ماهیچه‌ها را تنظیم می‌کند. این مدار حتی حرکات انگشتان را تنظیم می‌کند تا آن شیء از دست شما نیفتد تا بتوانید آن را به راحتی تکان دهید.

نکته دیگری که باید در مورد این مدارها بدانیم این است که مدارهای حرکتی نمونه‌هایی از حلقه‌های بازخوردی هستند، یعنی بازخوردهای حسی پیوسته در حال تنظیم خروجی حرکتی هستند تا هیچ مشکلی در حرکات بدن وجود نداشته باشد.

یادگیری فعالیت سلول ها و بافت ها

فیزیولوژی یکی از زیر شاخه‌های زیست‌شناسی است که به بررسی فعالیت‌سلول‌ها، بافت‌ها، اندام‌ها و دستگاه‌های مختلف بدن می‌پردازد؛ اما یادگیری فیزیولوژی به جانوران و سلول‌های جانوری محدود نمی‌شود، یکی از مهم‌ترین شاخه‌های فیزیولوژی، فیزیولوژی گیاهی است که جزئیات بسیار زیادی را در مورد فعالیت گیاهان مختلف در بر می‌گیرد، بنابراین برای یادگیری فیزیولوژی ابتدا باید بدانیم که قصد داریم در چه سطحی این علم را یاد بگیریم و در گام دوم منابعی را انتخاب کنیم که اطلاعات را به بهترین شیوه منتقل می‌کنند.

استفاده از فیلم‌های آموزشی که به طور تخصصی به بررسی فیزیولوژی جانوری یا گیاهی می‌پردازند، مزایای زیادی از قبیل یادگیری با استفاده از تصاویر کاربردی، دسترسی همیشگی به مطالب ارائه شده و مرور نکات دارد. فرادرس با مدنظر قرار دادن مزیت‌های آموزش آنلاین، به کمک متخصصان و اساتید برجسته فیلم‌های آموزشی متنوعی تولید و منتشر کرده است که در ادامه تعدادی از آن‌ها را معرفی می‌کنید و لینک دسترسی به هر فیلم آموزشی را در اختیار خواهید داشت.

ابزارهای مطالعه مدارهای عصبی

حالا که اطلاعات پایه‌ای در مورد مدار عصبی به دست آوردیم می‌دانیم که مطالعه فعالیت مدارهای عصبی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است، بنابراین در این بخش قصد داریم به معرفی روش‌های مختلفی بپردازیم که به محققان مختلف در مطالعه مدارهای عصبی کمک می‌کنند.

روش‌های مختلف «تصویر‌برداری عصبی» (Neuroimaging) برای بررسی فعالیت مدارها و شبکه‌های عصبی توسعه یافته‌اند، حتی می‌توان گفت که استفاده از اسکنر‌های مغز یا «تصویربرداری عملکردی عصبی» (Functional Neuroimaging) برای مطالعه ساختار یا فعالیت مغز بسیار رایج هستند. در ادامه با تعدادی از روش‌های تصویربرداری مغزی و کاربرد هر کدام آشنا می‌شویم.

• «تصویربرداری تشدید مغناطیسی کارکردی» (Functional Magnetic Resonance Imaging | fMRI): این روش فعالیت مغز را با استفاده از سنجش تغییرات مربوط به جریان خون اندازه‌گیری می‌کند.
• «برش نگاری مغز با گسیل پوزیترون» ( Brain Positron Emission Tomography | Brain PET): در این روش از ترکیبات رادیواکتیو برای به تصویر کشیدن و اندازه‌گیری فعالیت متابولیسمی مغز استفاده می‌شود.
• «برش‌نگاری رایانه‌ای» (Computed Axial Tomography (CAT) Scans): این روش قادر است که با استفاده از اشعه ایکس و پردازش کامپیوتری تصاویری مقطعی از مغز تهیه کند.

روش‌های تصویربرداری عملکردی عصبی از تکنولوژی‌های مختلفی استفاده می‌کنند که به آن‌ها این امکان را می‌دهد که فعالیت مغز یک فرد را در حین انجام دادن فعالیتی خاص بسنجند و به این ترتیب ما قادر هستیم که ارتباط بین فعال‌سازی نواحی خاص مغز و وظیفه هر ناحیه را شناسایی و بررسی کنیم.

جمع‌بندی

در این مطلب از مجله فرادرس به معرفی مدار عصبی پرداختیم که انواع مختلفی دارد، بنابراین در بخش انواع مدارهای عصبی با روش‌های مختلف دسته‌بندی مدارهای عصبی مختلف سیستم عصبی آشنا شدیم. به طور کلی می‌توان مهم‌ترین دسته‌بندی مدارهای عصبی را روشی دانست که طبق الگوی فعالیت مدارها آن‌ها را به چهار گروه تقسیم کرده است.

1. مدارهای واگرا
2. مدارهای همگرا
3. مدارهای بازتابی
4. مدار موازی پس از تخلیه

هر یک از این مدارها نقش‌های به خصوصی در در کنترل اعمال بدن، پردازش حس‌های مختلف، یادگیری، حافظه و سازگاری عصبی دارند. مدارهای عصبی ویژگی‌های خاصی مانند پلاستیسیته عصبی و حلقه‌های بازخوردی نیز دارند که به آن‌ها اجازه می‌دهد بر اساس تجربه‌ها و شرایط محیطی، ساختار و عملکرد خود را تغییر داده و با شرایط سازگار شوند، بنابراین مدارهای عصبی بدن ما قابلیت تغییر دارند.

اهمیت درک ساختار و فعالیت مدارهای عصبی در این نکته نهفته است که به کمک شناخت دقیق ماهیت مدار عصبی می‌توانیم فیزیولوژی سیستم عصبی را بهتر متوجه شویم و از اطلاعات به دست آمده برای درمان اختلالات عصبی و بهینه‌سازی مواردی مانند یادگیری یا عملکرد شناختی استفاده کنیم.