چرا نیمکره چپ مغز سمت راست بدن را کنترل می‌کند، در حالی که نیمکره راست سمت چپ را مدیریت می‌کند؟ این آرایش غیرمعمول یکی از جذاب‌ترین ویژگی‌های دستگاه عصبی است و دانشمندان توضیح جدیدی ارائه کرده‌اند که ریشه در صدها میلیون سال پیش دارد.
دکتر مارتین وسندورف، عصب‌شناس و استاد بازنشسته دانشگاه مینه‌سوتا، نحوه تنظیم نورون‌های طناب مغزی روی نخاع را مطالعه می‌کند. دنیل وانگ نیز متخصص علوم اعصاب شناختی و بیماری‌های تحلیل‌برنده عصبی است. این دو پژوهشگر به بررسی خاستگاه تکاملی اتصالات متقاطع مغز پرداخته‌اند.
در مطالعه‌ای که در مجله Frontiers in Neuroanatomy منتشر شده است، محققان چندین مدار عصبی در جانوران چهارپا را که دارای سیم‌کشی متقاطع هستند (به معنای اتصال یک طرف مغز به طرف مخالف بدن) مورد بررسی قرار داده‌اند. فرضیه آن‌ها نشان می‌دهد که این اتصالات ممکن است به این دلیل شکل گرفته باشند که تکامل مدارهای جدید مغزی را حول یک سیستم بینایی باستانی ساخته است.
مغز حاوی مسیرهای متعددی است که از یک طرف دستگاه عصبی مرکزی به طرف دیگر عبور می‌کنند. درک اینکه چرا این اتصالات کونترالترال (عبور از خط وسط) وجود دارند، نیازمند بررسی نحوه توسعه مدارهای مختلف حسی و حرکتی در طول زمان تکاملی است.
نحوه پردازش اطلاعات بینایی توسط مغز
یکی از توضیحات احتمالی با چشم‌ها آغاز می‌شود. وقتی نور از عدسی چشم عبور می‌کند، تصویری که روی شبکیه فرافکنی می‌شود وارونه است. اشیاء که در سمت راست ما ظاهر می‌شوند روی سمت چپ شبکیه و اشیاء در سمت چپ روی سمت راست شبکیه فرافکنی می‌شوند.
اطلاعات بینایی در امتداد عصب بینایی به ساختاری به نام کیاسمای نوری (optic chiasm) منتقل می‌شوند. در اینجا، فیبرهای عصبی به گونه‌ای سازماندهی می‌شوند که اطلاعات از میدان دید راست به سمت چپ مغز و اطلاعات از میدان دید چپ به سمت راست مغز هدایت شوند.
برخی از این سیگنال‌ها به ساختار قدیمی مغزی به نام تکتوم نوری (optic tectum) می‌رسند که در پستانداران کولیکولوس فوقانی نامیده می‌شود. این ناحیه که در مغز میانی واقع شده است، به ایجاد واکنش‌های سریع به رویدادهای بینایی، مانند توجه ناگهانی به چیزی که در نزدیکی حرکت می‌کند، کمک می‌کند.
هر طرف تکتوم نوری حاوی نمایشی از میدان دید مخالف است. در عمق بیشتر این ساختار، اطلاعات مربوط به حس‌های فیزیکی (اطلاعات جسمی‌حسی) نیز در نقشه‌های متناظر سازماندهی می‌شوند.
از آنجا که تکتوم نوری در تمام گونه‌های مهره‌دار وجود دارد، آن را یکی از کهن‌ترین ساختارهای دستگاه عصبی مهره‌داران می‌دانند. ظهور زودهنگام این ساختار ممکن است برای درک اینکه چرا بسیاری از مسیرهای عصبی دیگر از طرف مقابل عبور می‌کنند، بسیار مهم باشد.
چرا سیگنال‌های حسی از مغز و نخاع عبور می‌کنند
محققان همچنین دو مسیر اصلی مسئول انتقال حس‌ها از بدن به مغز را بررسی کردند. هر دو مسیر از مرکز دستگاه عصبی مرکزی (مغز و نخاع) عبور می‌کنند و به نظر می‌رسد در میان چهارپایان (جانوران چهارپا شامل پستانداران، پرندگان، خزندگان و دوزیستان) گسترده هستند.
اولین مسیر، که مسیر ستون پشتی نامیده می‌شود، اطلاعات مربوط به لمس ملایم، لرزش و موقعیت بخش‌های مختلف بدن را حمل می‌کند. سیگنال‌ها از اندام‌ها و تنه از طریق بخش پشتی نخاع به بالا حرکت می‌کنند تا به نورون دیگری در طناب مغزی، درست بالای نخاع، برسند. از آنجا، این مسیر به طرف مخالف عبور می‌کند.
اگرچه ماهیان فاقد این مسیر هستند، اما دانشمندان آن را در دوزیستان، خزندگان، پرندگان و پستانداران شناسایی کرده‌اند. حضور آن در این گروه‌های بزرگ حیوانی نشان می‌دهد که این آرایش در اوایل تکامل چهارپایان پدید آمده و عمدتاً حفظ شده است.
مسیر دوم، که راه نخاعی-تالاموسی (spinothalamic tract) نامیده می‌شود، حس‌هایی مانند درد، خارش و برخی انواع لمس را منتقل می‌کند. برخلاف مسیر ستون پشتی، این مسیر در خودِ نخاع به طرف مخالف عبور می‌کند.
پس از عبور، سیگنال‌ها به سمت بالا به تالاموس حرکت می‌کنند؛ ناحیه‌ای از مغز که بالای مغز میانی قرار دارد و نقش محوری در پردازش اطلاعات حسی و حرکتی ایفا می‌کند.
این آرایش متقاطع در پرندگان، پستانداران و خزندگان یافت می‌شود. همچنین در برخی ماهیان غضروفی، از جمله کوسه‌ها و سفره‌ماهی‌ها رخ می‌دهد که نشان می‌دهد جنبه‌هایی از این سازماندهی ریشه‌های تکاملی حتی عمیق‌تری دارند.
نحوه کنترل حرکت توسط مغز در سراسر بدن
سازماندهی متقاطع دستگاه عصبی فراتر از حس‌ها گسترش می‌یابد. محققان سه مسیر مهم درگیر در کنترل عضلات اسکلتی را شناسایی کردند که یک طرف مغز را به طرف مخالف نخاع متصل می‌کنند.
اولین مسیر، تکتواسپاینال (tectospinal pathway) است که به بدن کمک می‌کند تا به سرعت به اطلاعات محیطی پاسخ دهد.
تکتوم نوری تنها بینایی را پردازش نمی‌کند. بلکه اطلاعات مربوط به صداها و حس‌های فیزیکی را نیز دریافت می‌کند و این سیگنال‌ها را در نقشه‌هایی سازماندهی می‌کند که با نمایش بصری آن در طرف مخالف مغز هم‌تراز هستند.
تصور کنید در حال آماده شدن برای عبور از خیابان هستید و ناگهان متوجه خودرویی می‌شوید که از گوشه چشم شما نزدیک می‌شود. شما غریزی به سمت خودرو برمی‌گردید. مسیر تکتواسپاینال یکی از مدارهای عصبی است که به تولید این پاسخ سریع کمک می‌کند. این مسیر همچنین می‌تواند واکنش‌های مشابهی به صداهای یا لمس‌های غیرمنتظره هماهنگ کند.
سیگنال‌های حرکتی از عمیق‌ترین لایه‌های تکتوم نوری سرچشمه می‌گیرند و از طریق فیبرهای عصبی به طرف مخالف نخاع حرکت می‌کنند. این مسیر در اکثر چهارپایان و برخی ماهیان غضروفی وجود دارد.
مدار مهم دیگر، مسیر روبروسپاینال (rubrospinal pathway) است که تصور می‌شود به جانوران در کنترل اندام‌هایشان کمک کند. این مسیر از ساختاری در مغز میانی به نام هسته قرمز شروع شده و به طرف مخالف نخاع کشیده می‌شود. این مسیر به ویژه در اکثر پستانداران برجسته است، اگرچه در سایر چهارپایان و برخی ماهیان غضروفی نیز شناسایی شده است.
تکامل کنترل حرکت دقیق در انسان
مسیر سوم، که راه کورتیکواسپاینال (corticospinal tract) نامیده می‌شود، نقش بسیار مهمی در انسان دارد زیرا حرکات دقیق، از جمله کنترل ظریف انگشتان ما را پشتیبانی می‌کند.
تاریخچه تکاملی آن پیچیده‌تر از سایر مسیرها است.
تمام مهره‌داران دارای تلانسفالون هستند؛ بخش جلویی مغز که بخش زیادی از اندازه کلی مغز را در انسان تشکیل می‌دهد. با این حال، تنها پستانداران قشر مخ (cerebral cortex) دارند که به شش لایه متمایز سازماندهی شده است.
این قشر شش‌لایه توابع پیشرفته‌ای مانند ترکیب اطلاعات حسی با خاطرات، هماهنگی حرکت و پردازش زبان را پشتیبانی می‌کند.
مسیر کورتیکواسپاینال از قشر مخ به سمت نخاع کشیده می‌شود، اما عملکرد آن در میان حیوانات متفاوت است.
در اکثر پستانداران، این مسیر عمدتاً بر پردازش حسی تأثیر می‌گذارد. فیبرهای عصبی به نواحی نخاعی می‌رسند که اطلاعات را از بدن دریافت می‌کنند و به مغز اجازه می‌دهند تا حس‌های ورودی را تنظیم کند.
در پریمات‌ها (شامل انسان‌ها) و برخی حیوانات دیگر که قادر به حرکات بسیار دقیق هستند، این مسیر به نواحی نخاعی مسئول کنترل عضلات نیز می‌رسد. این اتصالات امکان انجام اقدامات پیچیده، از جمله حرکات هماهنگ انگشتان مورد نیاز برای کارهای ظریف را فراهم می‌کنند.
بسته به گونه، راه کورتیکواسپاینال می‌تواند اطلاعات حسی را تنظیم کند یا مستقیماً در حرکت مشارکت نماید. در هر دو حالت، فیبرهای آن از خط وسط دستگاه عصبی عبور می‌کنند.
محققان پیشنهاد می‌کنند که انسان‌ها ممکن است توانایی‌های حرکتی ظریف پیشرفته خود را با تطبیق یک مدار عصبی قدیمی‌تر که اصلاً در کنترل ورودی‌های حسی نقش داشت، توسعه داده باشند. به جای ایجاد یک سیستم کاملاً جدید، تکامل ممکن است به یک مسیر موجود هدفی اضافی بخشیده باشد.
توضیحی ۵۰۰ میلیون ساله برای سیم‌کشی متقاطع مغز
با کنار هم قرار دادن این مسیرهای عصبی، توضیحی بالقوه شگفت‌انگیز برای سازماندهی غیرمعمول مغز حاصل می‌شود.
محققان پیشنهاد می‌کنند که مدارهای بینایی اولیه به ایجاد الگویی کمک کردند که در آن مسیرهای حسی و حرکتی در طرفین مخالف دستگاه عصبی سازماندهی شدند. مدارهای بعدی ممکن است هنگام تکامل، این آرایش را به ارث برده باشند، به ویژه در چهارپایان.
از آنجا که تمام مهره‌داران زنده دارای کیاسمای نوری و تکتوم نوری سازماندهی شده حول اطلاعات از میدان دید مخالف هستند، محققان مشکوکند که این ساختارها از قبل در ماهیان بی‌آرواره اولیه در دوره کامبرین، حدود ۵۳۸ تا ۴۸۶ میلیون سال پیش، وجود داشته‌اند.
اگر این فرضیه صحیح باشد، به این معناست که سازماندهی پایه‌ای زیربنایی اتصالات متقاطع مغز، بیش از نیم میلیارد سال قبل از ظهور انسان مدرن شروع به توسعه کرده است.
این فرضیه حتی ممکن است قابل آزمایش باشد. دانشمندان می‌توانند جمجمه‌های فسیلی ماهیان بی‌آرواره باستانی را برای شواهد آناتومیکی بررسی کنند که ممکن است به تعیین اینکه آیا این حیوانات اولیه دارای کیاسمای نوری و تکتوم نوری بودند، کمک کند.
میراث تکاملی به جای مزیت؟
ایده کلی‌تر، این فرضیه را به چالش می‌کشد که هر ویژگی بیولوژیکی غیرمعمول باید به دلیل ارائه مزیت بقای مستقیم تکامل یافته باشد.
تکامل اغلب ساختارهای موجود را تغییر می‌دهد به جای توسعه سیستم‌های کاملاً جدید. پس از اینکه مسیرهای بینایی باستانی آرایشی متقاطع را برقرار کردند، آن آرایش ممکن است بر نحوه توسعه مدارهای حسی و حرکتی اضافی تأثیر گذاشته باشد.
به طور خاص، سازماندهی سیستم بینایی (و به ویژه تکتوم نوری) ممکن است پایه‌ای ساختاری فراهم کرده باشد که مسیرهای بعدی از آن پیروی کردند.
بر اساس این فرضیه، اتصالات متقاطع مغز لزوماً به این دلیل پدید نیامده‌اند که کنترل طرف مخالف بدن ذاتاً مؤثرتر بوده است. بلکه، آن‌ها ممکن است بازتاب تأثیر ماندگار یک آرایش باستانی باشند که تکامل بارها از آن استفاده مجدد کرده است.
نتیجه می‌تواند یکی از ماندگارترین نمونه‌های نحوه حفظ تاریخ تکاملی دستگاه عصبی باشد. رابطه عجیب بین دو نیمکره مغز و طرفین مخالف بدن، در نهایت ممکن است به سیستم‌های بینایی حیواناتی بازگردد که بیش از ۵۰۰ میلیون سال پیش زندگی می‌کردند.