خواب مغز را بازیابی می‌کند

خاطرات دیداری مثل بشقاب غذا در حافظه دیداری (visual memory) ذخیره می‌شود. ذهن ما از حافظه تصویری برای ساده‌ترین عملکردها استفاده می‌کند.

مثلاً برای یادآوردن چهره کسی که بتازگی دیده‌ایم، از این حافظه بهره می‌بریم. بدون حافظه دیداری، قادر به ذخیره آنچه دیده‌ایم و بازیابی آن در آینده نخواهیم بود.

ظرفیت حافظه تصویری انسان با برخی توانایی‌های شناختی مهم‌تر نظیر موفقیت درسی، هوش سیال (توانایی حل مسائل به شکلی نوآورانه) و درک کلی ارتباط تنگاتنگ دارد.

درک این که چگونه حافظه دیداری، عملکردهای ذهنی را تسهیل و از سویی محدودیت‌ ایجاد می‌کند، مفید خواهد بود. با این که مدت‌هاست این پرسش‌های مهم مطرح است، اما هنوز در آغاز راه پاسخگویی به آن هستیم.

خاطراتی نظیر وعده‌های غذایی در حافظه دیداری کوتاه‌مدت ـ بویژه در نوعی حافظه تصویری با نام حافظه عملکرد دیداری (visual working memory) ـ ذخیره می‌شود.

این نوع حافظه جایی است که تصاویر وقتی مغز در حال کار روی چیزهای دیگر است، به صورت موقت در آن ذخیره می‌شوند؛ درست مثل تخته سیاهی که چیزهایی به صورت خلاصه روی آن نوشته و سپس پاک می‌شود.

هنگام یادآوری مطالب مختلف در فواصل زمانی کوتاه (مثلا وقتی یک دانشجو، نکاتی را که استاد روی تخته سیاه نوشته در دفترش وارد می‌کند) از حافظه عملکرد دیداری استفاده می‌شود.

حال این پرسش مطرح است: این خاطرات چه وقت پاک می‌شوند و وقتی پاک می‌شوند، آیا ردپایی از خود بر جای می‌گذارند یا اصلا چیزی باقی نمی‌ماند؟ اگر خاطرات کوتاه‌مدت تصویری کم‌کم حذف شود، باقیمانده این خاطرات باید قابل بازخوانی باشد، ولی اگر بکلی پاک شود، به هیچ وجه نمی‌توان آن را بازخوانی کرد.

بتازگی پژوهشگران به مطالعه‌ای در این زمینه دست زده‌اند. در این پژوهش، از افراد شرکت‌کننده خواسته شد سه مربع رنگی چشمک زن را مدتی کوتاه روی نمایشگر مشاهده کنند سپس از آنها خواسته شد رنگ هر مربع را بگویند. بعد از یک، چهار و ۱۰ثانیه، بار دیگر این مربع‌ها ظاهر شده، اما این بار فقط مربع‌های سیاه با حاشیه سفید دیده می‌شد. از شرکت‌کنندگان خواسته شد کار ساده‌ای انجام دهند و رنگ یکی از مربع‌ها را به یاد آورند. البته شرکت‌کنندگان از قبل نمی‌دانستند، رنگ کدام مربع پرسیده می‌شود.

این پژوهشگران فرض را بر این گذاشته بودند که عملکرد حافظه دیداری در این بازه‌های زمانی (یک، چهار یا ۱۰ ثانیه) کارکرد این حافظه را بیشتر نمایان کند.

اگر خاطرات کوتاه‌مدت دیداری کم‌کم از بین بروند، دقت شرکت‌کنندگان در یادآوری رنگ‌ها حتی پس از بازه زمانی طولانی‌تر باید زیاد بماند و فقط اندکی با رنگ اصلی مربع تفاوت داشته باشد، ولی اگر خاطرات یکباره از بین رود، شرکت‌کنندگان باید بتوانند پاسخ‌های دقیقی بیان کنند و بعد از این که بازه زمانی طولانی شد، فقط به حدس‌های خود تکیه کنند و نتوانند رنگ مورد نظر را به خاطر آورند.

نتیجه آزمایش این شد که شرکت‌کنندگان پاسخ بسیار دقیقی می‌دادند یا فقط آن را حدس می‌زدند. یعنی رنگ مربع را بدقت به خاطر می‌آوردند یا کاملا آن را فراموش کرده بودند.

ذهنشان درست همانند فایل‌های موجود در رایانه عمل می‌کرد. یک فایل متنی در گذر زمان از تعداد حرف‌هایش کم نمی‌شود و یک تصویر دیجیتال هم بعد از گذشت زمان، زرد نمی‌گردد و تا وقتی از روی رایانه حذف نشده، کامل باقی می‌ماند.

البته این مطلب برای خاطرات صادق نیست. دانشمندان ام.آی.تی و دانشگاه هاروارد به این یافته رسیدند که اگر یک خاطره آنقدر دوام بیاورد که به «حافظه بلندمدت دیداری» بدل شود، حذف کلی آن، امری ناممکن است.

این دانشمندان به گروهی از شرکت‌کنندگان، ۳۰۰۰ تصویر از مناظر مختلف نظیر امواج اقیانوس، زمین گلف یا پارک بازی نشان دادند سپس به این شرکت‌کنندگان ۲۰۰ جفت عکس نشان داده شد.

هر جفت از عکس‌ها شامل یکی از عکس‌هایی که قبلا نشان داده شده بود و یک عکس جدید بود. از شرکت‌کنندگان خواسته شد بگویند کدام عکس جدید است.

شرکت‌کنندگان در این مطالعه در تعیین عکس جدید و قدیمی بسیار دقیق عمل کردند و در ۹۶درصد از موارد، پاسخ درست بود. به عبارت دیگر، با این که می‌بایست ۳۰۰۰ عکس به یاد آورده می‌شد، این کار را به بهترین نحو انجام دادند.

با این حال مشخص شد که این افراد، تنها در مواردی که عکس جدید و قدیم به دو منظره متفاوت تعلق داشت (مثلا یک زمین گلف در کنار یک پارک بازی) بخوبی عمل می‌کردند.

برای تعیین میزان دقت این خاطرات، پژوهشگران به بررسی مواقعی پرداختند که دو عکس نشان داده شده به یک منظره (مثلا دو پارک بازی متفاوت) تعلق داشت.

از آنجا که دو عکس از یک منظره، تفاوت کمتری نسبت به مواقعی داشتند که دو عکس از دو منظره مختلف بودند، شرکت‌کنندگان تنها زمانی می‌توانستند تفاوت‌ها را تشخیص دهند که جزئیات بسیاری را از تصاویری که دیده بودند، به یاد می‌آوردند.

همان ‌طور که انتظار می‌رفت، عملکرد شرکت‌کنندگان در تشخیص تفاوت‌ تصاویری که در یک گروه جای داشتند، ضعیف‌تر بود، ولی چندان هم کم نبود.

در ۸۴ درصد موارد، آنها پاسخ درست داده بودند. در واقع، وقتی آزمایش‌کنندگان، تعداد تصاویری را که شرکت‌کنندگان می‌بایست ابتدا برای هر منظره به یاد می‌آوردند، افزایش دادند، عملکرد مطلوبی در تشخیص تصاویر جدید از قدیمی داشتند و فقط اندکی از کارایی آنان کاسته شد.

‌لحظاتی که خوابیده‌ایم مغز به فعالیتی مشغول است که نقش کلیدی در فعالیت‌های خلاقانه دارد، مغز خود را
ویرایش می‌کند و گاه اطلاعات بسیاری را دور می‌ریزد 

کاهش کارایی حافظه، در کنار این مطلب که خاطرات ما جزئیات فراوانی دارند، نشان می‌دهد که این خاطرات تصویری (photographic) نیستند.

این دو آزمایش مجزا متناقض به نظر می‌رسد. چرا ما می‌توانیم در برخی موارد، آن حجم زیاد از تصاویر را با جزئیات فراوان به خاطر آوریم اما نمی‌توانیم چند تصویر دیگر را پس از چند ثانیه به خاطر آوریم؟ چه چیزی تعیین‌کننده جای گیری یک تصویر در حافظه بلند‌مدت یا کوتاه‌مدت است؟

پژوهشگران دانشگاه هاروارد و ام.آی.تی اخیرا بیان کرده‌‌اند که عامل اساسی، معنادار بودن تصاویر به یادآورده شده است. یعنی این که آیا محتوای تصاویری که می‌بینیم به دانش قبلی ما در مورد آنها اتصال می‌یابد یا خیر.

در آزمایش اول، شرکت‌کنندگان سعی می‌کردند رنگ‌های بی‌معنا و بی‌ربط را به یاد آورند، لذا ارتباطی با دانش قبلی‌شان ایجاد نمی‌شد. مثل این که قبل از این‌که بتوانید نوشته‌های روی تابلو را در دفتر خود یادداشت کنید، همه‌شان پاک می‌شوند، ولی در آزمایش دوم، شرکت‌کنندگان تصاویری می‌دیدند که قبلا در مورد آنها اطلاعات معناداری داشتند؛ مثلا این که چرخ و فلک در چه ارتفاعی نسبت به زمین قرار می‌گیرد.

این دانش قبلی، سبب تغییر نحوه پردازش این تصاویر می‌گردد و در نهایت باعث می‌شود، هزاران عدد از آنها از تخته سیاه حافظه کوتاه مدت به مخزن بزرگ حافظه بلندمدت منتقل و در آنجا با دقت فراوان ذخیره شود.

با کنار هم قرار دادن این دو آزمایش می‌توان گفت چرا خاطرات به طور یکسان از بین نمی‌روند و برخی خاطرات هرگز از یاد نمی‌روند. همین مساله نشان می‌دهد که چرا در یادآوری برخی خاطره‌ها ناتوان هستیم و برخی خاطره‌های دیگر را با دقت زیاد به یاد می‌آوریم.

پیکسل‌های اشباع‌شده

یادگیری وقتی روی می‌دهد که یک تجربه (مثل گوش‌کردن به یک موسیقی جدید یا گردش در شهری ناآشنا) الگویی جدید به گروهی از نورون‌ها (رشته‌های عصبی) می‌دهد.

این الگوها سبب تغییر ارتباط بین سلول‌ها می‌شود؛ یعنی پیوند بین نورون‌هایی که با یکدیگر فعالیت می‌کنند، قوی‌تر و پیوند نورون‌های غیرمرتبط ضعیف می‌شود.

به این صورت، سلول‌ها از نظر عملکردی به هم پیوسته می‌شوند. پیوند میان نورون‌هایی خاص، سبب حفظ قسمتی از یک تجربه (خاطره) می‌شود.

هنگام خواب، این تجربه بارها و بارها تکرار می‌شود و سبب تغییرات سلولی و تثبیت آن الگوی خاص از ارتباطات عصبی می‌شود و در نتیجه، آن تجربه خاص بیش از پیش در حافظه جای می‌گیرد.

روان‌شناسان حدود یک دهه قبل، خواب را تکرار یادگیری روزانه می‌دانستند، اما تونونی ایراداتی در این دیدگاه یافته است.

وی می‌گوید: اگر اتصالات نورون‌ها (سیناپس‌ها) در طول روز و شب‌های متوالی، محکم‌تر و قوی‌تر شود، در نهایت اشباع می‌شوند. درست مثل پیکسل‌های اشباع شده در یک تصویر بسیار روشن که وقتی تعداد سیناپس‌های یکسان به نهایت خود می‌رسد، اطلاعات چندانی تولید نمی‌کند در این صورت، مغز دیگر فضایی برای ذخیره اطلاعات نخواهد یافت.

این پژوهشگر، برخی ویژگی‌های امواج مغزی را ـ که او و بسیاری دیگر از پژوهشگران در افراد در حال خواب به دست آورده‌اند ـ ذکر می‌کند. مدت‌های زیادی است که دانشمندان، خواب با امواج آهسته (slow wave sleep) را می‌شناسند. این نوع خواب، نوعی حالت استراحت است و بیدار کردن افراد در این مرحله، سخت‌تر از سایر مراحل است. این نوع خواب ضروری و بازسازنده است.

تونونی به دو پدیده دیگر نیز اشاره می‌کند؛ اول این که وقتی افراد از خواب با امواج آهسته محروم می‌شوند، بعدها آن را با مراحل شدیدتر و طولانی‌تر از همین نوع خواب جبران می‌کنند.

در ضمن او به این نتیجه رسید که شدت این نوع خواب عمیق ـ که با استفاده از بزرگی امواج مغزی تعیین می‌شود ـ با طی زمان در شب کم می‌شود. این دو پدیده، از نظر او نوعی هم‌ایستایی بود.

بین این دو نیروی مخالف، نوعی رقابت وجود دارد که به تعادل در سیستم زیستی می‌انجامد. خواب با امواج آهسته مغز را به سمت نوعی تعادل سوق می‌دهد و بیدار ماندن سبب برهم خوردن این نوع تعادل می‌شود.

تونونی بررسی کرد که کدام فرآیند زیست‌شناختی، دلیل تغییرات در خواب با امواج آهسته است. شدت این نوع خواب با قدرت سیناپس‌ها رابطه دارد.

وقتی نورون‌ها با هم فعالیت می‌کنند، این اتصالات عصبی به صورت هماهنگ فعال می‌شوند. جریان الکتریکی که در میان آنها جریان دارد، سیگنال امواج آهسته را تولید می‌کند که توسط الکترودهای متصل به سر افراد ثبت می‌شود.

تونونی نتیجه‌گیری می‌کند که بیدار ماندن سبب تکثیر یا تقویت سیناپس‌ها می‌شود و شدت اولیه این خواب با امواج آهسته نشان‌دهنده قدرت این شبکه‌های سلولی است بنابراین تضعیف یا درهم شکسته شدن سیناپس‌ها، دلیل کاهش سیگنال‌های خواب در طول شب است.

این پژوهشگر برای دفاع از این فرضیه ـ که خودش آن را هم‌ایستایی سیناپسی (synaptic homeostasis) می‌نامد ـ تصمیم گرفت تفاوت سیناپس‌ها را بین حالت بیداری و خواب بررسی کند. در پژوهشی که نتایج آن در سال ۲۰۰۸ منتشر شد، او و همکارانش بافت‌هایی را که از مغز موش‌های بیدار و خوابیده گرفته بودند، در آزمایشگاه کشت دادند.

در نمونه‌های بافتی، پژوهشگران از پادتن‌های رادیواکتیو برای انتخاب و علامت‌گذاری برخی پروتئین‌های خاص ـ که فقط در سیناپس‌ها موجود است ـ استفاده کردند. نتیجه آن شد که بسیاری از پروتئین‌ها در موش‌های خوابیده، بسیار کمتر از موش‌های بیدار بود.

این پژوهشگران نتیجه گرفتند که تعداد سیناپس‌ها در مغز خوابیده کمتر است یا این سیناپس‌ها چندان امکان ارتباط موثر را ندارند و به کلامی دیگر، ضعیف‌تر هستند.

پژوهشی که سال ۲۰۱۰ از سوی برخی دانشمندان دانشگاه ییل صورت گرفت، تائید دیگری بر این فرضیه بود. این تیم پژوهشی با همکاری تونونی به بررسی فعالیت الکتریکی تک‌ نورون‌ها در قطعات بافت مغزی به دست آمده از موش‌های خواب و بیدار پرداخت.

نورون‌ها به صورت مرتب از طریق جریان‌های الکتریکی کوچکی که به سیناپس‌های خود می‌فرستادند، با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کردند.

هر قدر سیناپس‌ها قوی‌تر بودند، جریان بیشتری به آنها فرستاده می‌شد. نورون‌های موش‌هایی که بیدار بودند، جریان بیشتری نسبت به موش‌هایی که خواب بودند، داشتند.

به عبارتی، نورون‌های مغزی در حال خواب با سیناپس‌های کمتر یا ضعیف‌تری به هم متصل هستند. این نتیجه نشان می‌دهد که در چرخه روز و شب، مغز حالت‌هایی از اتصال نورونی قوی و ضعیف را تجربه می‌کند.

مگس‌های بی‌خواب

اگر خواب سبب تغییر شکل سیناپس‌ها می‌شود، پژوهشگران باید بتوانند نشانه‌های ساختاری این تغییر را مشاهده کنند.

سیناپس‌هایی که نورون‌ها از طریق آنها ارتباط برقرار می‌کنند، ممکن است از نظر تعداد و اندازه با هم متفاوت باشند.

هر قدر تعداد سیناپس‌ها بیشتر باشد و این سیناپس‌ها بزرگ‌تر باشد، اطلاعات بیشتری در قالب جریان الکتریکی بین دو نورون انتقال می‌یابد. دانشمندان با اتصال مواد درخشنده به پروتئین‌هایی که در دو طرف سیناپس هستند، می‌توانند سیناپس‌ها را مشاهده کنند.

سال ۲۰۱۱ تونونی همراه دو دانشمند عصب‌شناس، اندازه و تعداد سیناپس‌های موجود در مغز مگس سرکه را تعیین کردند.

آنها تعدادی از این مگس‌ها را با قراردادن در جعبه‌ای چرخان، مجبور به بیدار ماندن کردند. هدف آزمایش این بود که ببینند محرومیت از خواب، سبب تضعیف سیناپس‌ها می‌شود یا خیر.

نتیجه آزمایش این بود که مگس‌های محروم از خواب، سیناپس‌های زیادتر و بزرگ‌تری داشتند. در برخی موارد، سیناپس‌های مغز مگس‌های سرکه محروم از خواب، دو برابر سیناپس‌های مغز مگس‌های سرکه معمولی بود.

تونونی و همکارانش این آزمایش را با موش‌ها هم انجام دادند. در این آزمایش، نورون‌های موجود در کورتکس مغز موش، با نشانگر‌های فلورسنت نشانه‌گذاری شدند و پژوهشگران می‌توانستند رشد یا تضعیف قسمتی از نورون را که در آنجا سیناپس‌ها ساخته می‌شوند، مشاهده کنند.

پژوهشگران مشاهده کردند، تعداد کل سیناپس‌ها در واحد حجم هنگام بیداری افزایش می‌یافت و تا وقتی موش‌ها از خواب محروم بودند، این تعداد همچنان زیاد باقی می‌ماند و مدت کوتاهی پس از این‌که موش‌ها اجازه خواب می‌یافتند، کاهش می‌یافت.

اثرات خواب

نظریه هم‌ایستایی سیناپسی، از جذابیت‌های زیادی برخوردار است، اما برای این‌که این نظریه دلیل اصلی خواب مطرح شود، پژوهش‌های دیگری نیز باید صورت گیرد تا اثرات ناشی از تضعیف سیناپس‌ها بر یادگیری، حافظه و ادراک روشن‌تر گردد.

اگر این شواهد یافت شود، اندیشه‌های تونونی اطلاعات بسیاری را به دانسته‌های فعلی ما درباره خواب خواهد افزود.

همه به طور غریزی می‌دانیم که خواب، سبب تجدید قوا می‌شود. قطعات ادبی زیادی برای بیان این مفهوم در طول سالیان شکل یافته است. شکسپیر در نمایشنامه مکبث، خواب را «بازکننده رشته‌های درهم بافته ذهن» خواند.

احتمالا او نمی‌دانست که مغز ما، با باز کردن برخی رشته‌هایی که در طول روز در هم بافته، تجدید قوا می‌کند تا به این ترتیب بتوانیم روزی دیگر را برای آموختن آغاز کنیم. (جام جم – ضمیمه سیب)

مترجم: صالح سپهری‌فر
منبع: ScientificAmerican