علوم اعصاب سامانه‌ها و مدارهای عصبی

علوم اعصاب سامانه‌ها و مدارهای عصبی به مطالعه چگونگی سازماندهی جمعیت‌های نورون‌ها در سامانه‌ها و مدارهای عملکردی می‌پردازد که جهان را حس می‌کنند، حرکت را تولید می‌کنند و احساسات و برانگیختگی را شکل می‌دهند. این سطح از تحلیل بین علوم اعصاب سلولی و مولکولی در پایین و شناخت و رفتار در بالا قرار می‌گیرد و به این سؤال می‌پردازد که چگونه مسیرهای آناتومیک و الگوهای فعالیت عصبی به ادراک، عمل و وضعیت درونی منجر می‌شوند.

Definition

علوم اعصاب سامانه‌ها و مدارهای عصبی مطالعه ساختار و دینامیک مدارهای عصبی تعریف‌شده و سامانه‌های بزرگ‌مقیاس است که ارتباط آناتومیک و فعالیت فیزیولوژیک را به عملکردهای حسی، حرکتی، عاطفی و تنظیم‌کننده وضعیت پیوند می‌دهد.

Scope

این حوزه خواننده را با سامانه‌های عملکردی اصلی دستگاه عصبی آشنا می‌کند: سامانه‌های بینایی، حرکتی، حسی-پیکری، لیمبیک، و توجه یا برانگیختگی. این یک مرور کلی آموزشی-مرجع است که مدخل‌های موضوعی دقیق‌تر زیر آن را چارچوب‌بندی می‌کند؛ این یک راهنمای بالینی نیست و به تشخیص یا درمان نمی‌پردازد.

Sub-topics

• سیستم‌های توجه و برانگیختگی
• سیستم لیمبیک و هیجان
• سیستم حرکتی و کنترل حرکت
• دستگاه حسی-پیکری
• آناتومی و فیزیولوژی دستگاه بینایی

Core questions

• چگونه ورودی‌های حسی در طول مسیرهای سازمان‌یافته به بازنمایی‌های ادراکی تبدیل می‌شوند؟
• مدارهای حرکتی چگونه حرکت را برنامه‌ریزی، انتخاب و اجرا می‌کنند؟
• چگونه احساسات، انگیزه و برانگیختگی توسط مدارهای توزیع‌شده و سامانه‌های نورومدولاتوری تنظیم می‌شوند؟
• معماری‌های مداری سلسله‌مراتبی و موازی چگونه از این عملکردها پشتیبانی می‌کنند؟

Key concepts

• نقشه‌های توپوگرافیک و سوماتوتوپیک
• میدان‌های گیرنده و انتخاب‌پذیری ویژگی
• پردازش سلسله‌مراتبی و موازی
• حلقه‌های موازی قشری-گانگلیون‌های قاعده‌ای-تالاموکورتیکال
• سامانه‌های نورومدولاتوری و برانگیختگی
• شبکه‌ها و ارتباطات مغزی بزرگ‌مقیاس

Mechanisms

سامانه‌های عملکردی از مدارهایی ساخته شده‌اند که در آن‌ها اتصالات آناتومیک منظم، محاسباتی را بر فعالیت عصبی اعمال می‌کنند. سامانه‌های حسی، سطوح گیرنده را به صورت توپوگرافیک بر روی قشر مغز نگاشت می‌کنند و ویژگی‌های پیچیده‌تر را به تدریج در طول مسیرهای سلسله‌مراتبی استخراج می‌کنند، همانطور که هوبل و ویزل برای قشر بینایی و مانتکاسل برای قشر حسی-پیکری نشان داده‌اند. عملکردهای حرکتی و لیمبیک تا حدی به حلقه‌های موازی و تا حدی جداگانه از طریق گانگلیون‌های قاعده‌ای و تالاموس که توسط الکساندر و همکارانش توصیف شده‌اند، وابسته هستند. در بزرگترین مقیاس، این مدارها شبکه‌های ساختاری و عملکردی را تشکیل می‌دهند که سازماندهی آن‌ها را می‌توان با روش‌های نظریه گراف تحلیل کرد، همانطور که بولمور و اسپورنز خلاصه کرده‌اند.

Clinical relevance

سامانه‌های توصیف‌شده در اینجا زیربنای نورولوژی و روانپزشکی بالینی هستند: اختلالات بینایی، حرکت، حس، احساسات و برانگیختگی به اختلال عملکرد مدارهای خاصی مرتبط می‌شوند. این مدخل سازماندهی طبیعی این سامانه‌ها را به عنوان پیش‌زمینه‌ای برای درک بیماری توضیح می‌دهد؛ این یک ماده مرجع آموزشی است و مبنایی برای تشخیص یا درمان فردی نیست.

Evidence & guidelines

پایگاه دانش علوم اعصاب سامانه‌ها بر شواهد همگرا از الکتروفیزیولوژی تک‌واحدی، ردیابی مسیرهای آناتومیک، مطالعات ضایعه‌ای و تصویربرداری عصبی انسانی استوار است تا بر کارآزمایی‌های بالینی. مطالعات اولیه بنیادی (به عنوان مثال مانتکاسل و هوبل و ویزل) سازماندهی ستونی و توپوگرافیک قشر مغز را تثبیت کردند، و تحلیل‌های شبکه مدرن این‌ها را در توضیحات سطح سامانه‌ای ادغام می‌کنند؛ درمان‌های مرجع استاندارد در کتاب‌های درسی جامع علوم اعصاب یافت می‌شوند.

History

علوم اعصاب سامانه‌ها از تلاش‌های قرن نوزدهم و بیستم برای بومی‌سازی عملکرد در مغز و نقشه‌برداری مسیرهای حسی و حرکتی نشأت گرفت. ثبت‌های تک‌واحدی اواسط قرن بیستم توسط مانتکاسل در قشر حسی-پیکری و هوبل و ویزل در قشر بینایی، سازماندهی ستونی و سلسله‌مراتبی قشر حسی را آشکار کرد، در حالی که کارهای بعدی بر روی حلقه‌های گانگلیون‌های قاعده‌ای و اخیراً بر روی کانکتومیکس (connectomics) بزرگ‌مقیاس، این حوزه را از مدارهای فردی به شبکه‌های کل مغز گسترش داده است.

Key figures

• Vernon Mountcastle
• David Hubel
• Torsten Wiesel
• Garrett Alexander
• Olaf Sporns

Seminal works

• mountcastle-1957
• hubel-wiesel-1968
• alexander-1990

Frequently asked questions

علوم اعصاب سامانه‌ها چه تفاوتی با علوم اعصاب سلولی یا مولکولی دارد؟

علوم اعصاب سلولی و مولکولی به مطالعه نورون‌های منفرد، سیناپس‌ها و ژن‌ها و مولکول‌های درون آن‌ها می‌پردازد، در حالی که علوم اعصاب سامانه‌ها و مدارهای عصبی به مطالعه چگونگی اتصال گروه‌های نورون‌ها به یکدیگر در مدارها و سامانه‌هایی می‌پردازد که عملکردهایی مانند دیدن، حرکت کردن یا تنظیم احساسات را انجام می‌دهند.

چه چیزی در دستگاه عصبی به عنوان یک «سامانه» محسوب می‌شود؟

یک سامانه عصبی مجموعه‌ای از ساختارهای به هم پیوسته است که با هم یک عملکرد منسجم را انجام می‌دهند، مانند سامانه بینایی، سامانه حرکتی یا سامانه لیمبیک؛ هر یک به عنوان یک مسیر سازمان‌یافته با ورودی‌ها، تبدیل‌ها و خروجی‌های مشخص مطالعه می‌شود.