How do we safely study living brains? - John Borghi and Elizabeth Waters

Translator: soheila Jafari Reviewer: Nima Pourreza

As far as we know,

تا آنجا که ما می‌دانیم،

there’s only one thing in our solar system sophisticated enough to study itself:

تک یک چیز در منظومه خورشیدی به اندازه کافی ماهر هست که خود را مطالعه کند:

the human brain.

مغز انسان.

But this self-investigation is incredibly challenging;

اما این خود تحقیقی بسیار چالش برانگیز هست؛

a living brain is shielded by a thick skull,

یک مغز زنده با یک جمجمه ضخیم محافظت شده،

swaddled in layers of protective tissue,

با لایه‌های بافت‌های محافظت کننده پیچیده شده،

and made up of billions of tiny, connected cells.

و از میلیارده‌ها سلول کوچک به هم مرتبط ساخته شده است.

That’s why it’s so difficult to isolate, observe, and understand diseases

به همین دلایل جدا سازی، مطالعه و درک بیمارهای آن مانند آلزایمر

like Alzheimer’s.

بسیار مشکل هست.

So how do we study living brains without harming their owners?

خُب پس چگونه مغزهای زنده را بدون اینکه به صاحبان آن‌ها آسیب برسانیم مطالعه کنیم؟

We can use a trio of techniques called EEG,

ما می‌توانیم از سه روش به نام های EEG،

fMRI,

fMRI،

and PET.

و PET استفاده کنیم.

Each measures something different and has its own strengths and weaknesses,

هر یک چیز متفاوتی را اندازگیری می‌کنند وضعف‌ها و قوت‌های خودشان را دارند،

and we’ll look at each in turn.

و ما هر سه را به نوبت بررسی می‌کنیم.

First is EEG, or electroencephalography,

ابتدا EEG یا نوار مغزی

which measures electrical activity in your brain.

که فعالیت‌های الکتریکی مغز شما را اندازه‌گیری می‌کند.

As brain cells communicate, they produce waves of electricity.

سلول‌های مغز در ارتباط با یکدیگر موج الکتریکی تولید می‌کنند.

Electrodes placed on the skull pick up these waves,

الکترودها قرار گرفته در بالای جمجمه این امواج را جذب می‌کنند،

and differences in the signals detected between electrodes

و تفاوت بین سیگنال‌های حس‌شده بین الکترودها

provide information about what’s happening.

اطلاعاتی درباره آنچه که اتفاق می‌افتد را فراهم می‌کند.

This technique was invented almost 100 years ago,

این روش حدود ۱۰۰ سال پیش اختراع شد،

and it’s still used to diagnose conditions like epilepsy and sleep disorders.

و هنوز برای بیماری صرع و کم خوابی بکار گرفته می‌شود.

It’s also used to investigate what areas of the brain are active

همچنین برای شناسایی اینکه کدام بخش مغز

during learning or paying attention.

در زمان یادگیری و یا دقت کردن فعال می‌شود بکار می‌رود.

EEG is non-invasive,

EEG، روشی بدون نیاز به جراحی،

relatively inexpensive,

نسبتن ارزان

and fast:

و سریع است:

it can measure changes that occur in just milliseconds.

می‌تواند تغییراتی را که در یک صدم ثانیه در مغز انجام می‌شود را اندازه‌گیری کند.

Unfortunately, it’s hard to determine

متاسفانه، تعیین دقیق این که

exactly where any particular pattern originates.

منشاء هر الگو [در مغز] کجاست، مشکل هست.

Electrical signals are generated constantly all over the brain

سیگنال‌های الکتریکی بطور پیوسته در سراسر مغز تولید شده

and they interact with each other to produce complex patterns.

و برای تهیه یک الگوی پیچیده با هم همکاری می‌کنند.

Using more electrodes or sophisticated data-processing algorithms can help.

گذاشتن الکترود‌های بیشتر و یا الگوریتم‌های داده-پردازشی پیشرفته می‌تواند کمک کنند.

But in the end, while EEG can tell you precisely when certain activity occurs,

اما در نهایت، می‌تواند به شما هنگام اتفاق افتادن یک فعالیت را دقیق بگوید،

it can’t tell you precisely where.

ولی نمی‌تواند محل آن را دقیق بگوید.

To do that, you’d need another technique,

برای انجام این کار، شما به روش دیگری نیاز دارید،

such as functional magnetic resonance imaging, or fMRI.

مانند روش تصویرسازی تشدید کارکردی مغناطیسی (fMRI).

fMRI measures how quickly oxygen is consumed by brain cells.

fMRI سرعت مصرف اکسیژن را در مغز اندازه‌گیری می‌کند.

Active areas of the brain use oxygen more quickly.

بخش فعال مغز میزان اکسیژن بیشتری مصرف می‌کند.

So watching an fMRI scan while a person completes cognitive or behavioral tasks

بنابراین بررسی یک اسکن fMRI در زمانی که فردی وظایف شناختی یا رفتاری را انجام می‌دهد

can provide information about which regions of the brain might be involved.

می‌تواند داده‌هایی که آن منطقه از مغز با آن درگیر هستند را ارائه دهد.

That allows us to study everything from how we see faces

این به ما اجازه می‌دهد تا همه آنچه که در ظاهر می‌بینیم

to how we understand what we’re feeling.

تا آنچه که احساس می‌کنیم را مطالعه کنیم.

fMRI can pinpoint differences in brain activity to within a few millimeters,

fMRI تقاوت‌های فعالیت‌های مغز را به خوبی در چند میلی‌متر مشخص کند،

but it’s thousands of times slower than EEG.

اما سرعت آن هزاران برابر کُندتر از EEG هست.

Using the two techniques together

استفاده از دو روش با یکدیگر

can help show when, and where, neural activity is occurring.

می‌تواند نشان دهد چه وقت و کجا، فعالیت‌های نورونی مغز رخ می‌دهد.

The third, even more precise, technique is called positron emission tomography

سوم اینکه، حتی روش دقیق‌تری، که به آن برش‌نگاری با گسیل پوزیترون می‌گویند

and it measures radioactive elements introduced into the brain.

و این روش عناصر رادیواکتیو که به مغز داده می‌شود را اندازه گیری می‌کند.

That sounds much scarier than it actually is;

خیلی ترسناک تر از آنچه که واقعاً هست به نظرمی‌رسد؛

PET scans, like fMRI and EEG, are completely safe.

اسکن PET مانند fMRI و EEG کاملا بی‌خطر هست.

During a PET scan, a small amount of radioactive material called a tracer

در طول PET اسکن، مقدار بسیار کمی از ماده رادیواکتیو‌ی که به آن ردیاب می‌گویند

is injected into the bloodstream,

را به خون تزریق می‌کنند،

and doctors monitor its circulation through the brain.

و پزشکان گردش آن را در مغز بررسی می کنند.

By modifying the tracer to bind to specific molecules,

با اصلاحات شیمیایی ردیاب به منظور پیوند آن با مولکول‌های مشخصی،

researchers can use PET to study the complex chemistry in our brains.

محققات می‌توانند از PET برای مطالعه ترکیبات پیچیده شیمیایی در مغزمان استفاده کنند.

It’s useful for studying how drugs affect the brain

این برای مطالعه اینکه داروها چگونه در مغز ما تاثیر می‌گذارند

and detecting diseases like Alzheimer’s.

و یا برای شناسایی بیمار‌هایی مانند آلزایمر سودمند است.

But this technique has the lowest time resolution of all

اما این تکنیک آهسته‌ترین سرعت را بین همه روش‌های تشخیص دارا است

because it takes minutes for the tracer to circulate and changes to show up.

زیرا چند دقیقه به درازا می‌کشد تا ردیاب یک دور کامل زده و تغییرات قابل مشاهده باشند.

These techniques collectively help doctors and scientists

مجموع این روش‌ها به پزشکان و دانشمندان کمک می‌کنند

connect what happens in the brain with our behavior.

تا به آنچه که در مغز با رفتارمان اتفاق می‌افتد را به هم ربط دهند.

But they’re also limited by how much we still don't know.

اما این‌ها توسط آنچه که ما هنوز [در مورد مغز] نمی‌دانیم محدود هستند.

For example, let's say researchers are interested in studying how memory works.

برای مثال، بگذارید فرض کنیم که محققان علاقمند که بدانند حافظه چگونه کار می‌کند.

After asking 50 participants to memorize a series of images while in MRI scanners,

پس از اینکه از ۵۰ نفر خواستند تا یک مجموعه تصویر را به خاطر بسپارند در

the researchers might analyze the results

حالی که اسکن MRI انجام می‌شود، محققان نتیجه را آنالیز کرده

and discover a number of active brain regions.

و بخش‌هایی از مغز که فعال هستند را شناسایی می‌کنند.

Making a link between memory and specific parts of the brain

یافتن ارتباط بین حافظه و بخش ویژه‌ای از مغز

is an important step forward.

گامی مهم رو به جلو است.

But future research would be necessary

اما تحقیق در آینده برای شناخت

to better understand what’s happening in each region,

آنچه در این بخش از مغز اتفاق می‌افتد،

how they work together,

چگونه این‌ها با هم کار می‌کنند،

and whether the activity is because of their involvement in memory

و آیا این فعالیت مغز به این دلیل است که در حافظه دخالت دارد

or another process occurring simultaneously.

یا اینکه همزمان فرآیند دیگری نیز اتفاق می‌افتد، ضروری خواهد بود.

More advanced imaging and analysis technology

تصویربرداری‌های پیشرفته‌تر و تجزیه و تحلیل تکنولوژیکی بیشتر

might one day provide more accurate results

شاید روزی نتیجه‌های دقیق‌تری فراهم کرده

and even distinguish

و حتی فعالیت‌ یاخته‌های عصبی مشخصی

the activity of individual neurons.

را تمیز دهند.

Until then, our brains will keep measuring, analyzing, and innovating

تا آن زمان، مغز‌های ما اندازه‌گیری، آنالیز و نوآوری را

in pursuit of that quest to understand

در تلاش به تحقق فهم یکی از فوق‌العاده‌ترین چیزهایی

one of the most remarkable things we’ve ever encountered.

که ما تاکنون با آن برخورد داشته‌ایم ادامه خواهد داد.