نکاتی بسیار جالب در مورد خواب انسان

هفته پیش در چنین روزی شام چه خوردید؟ به احتمال زیاد دقیقا به یاد نمی‌آورید، اما جالب است كه مدت كوتاهی پس از صرف هر وعده غذایی می‌توانید محتویات بشقاب‌تان را با تمام جزئیات به خاطر آورید. در این میان چه اتفاقی روی می‌دهد. آیا خاطراتی از این دست، كم‌كم محو می‌شوند یا به طور ناگهانی از بین می‌روند؟

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

مثلاً برای یادآوردن چهره كسی كه 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 شكلی نوآورانه) و درك كلی ارتباط تنگاتنگ دارد.

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

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

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

هنگام یادآوری مطالب مختلف در فواصل زمانی كوتاه (مثلا وقتی یك دانشجو، نكاتی را كه استاد روی تخته سیاه نوشته در دفترش وارد می‌كند) از حافظه عملكرد دیداری استفاده می‌شود.

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

بتازگی پژوهشگران به مطالعه‌ای در این زمینه دست زده‌اند. در این پژوهش، از افراد شركت‌كننده خواسته شد سه مربع رنگی چشمك زن را مدتی كوتاه روی نمایشگر مشاهده كنند سپس از آنها خواسته شد رنگ هر مربع را بگویند. بعد از یك، چهار و 10ثانیه، بار دیگر این مربع‌ها ظاهر شده، اما این بار فقط مربع‌های سیاه با حاشیه سفید دیده می‌شد. از شركت‌كنندگان خواسته شد كار ساده‌ای انجام دهند و رنگ یكی از مربع‌ها را به یاد آورند. البته شركت‌كنندگان از قبل نمی‌دانستند، رنگ كدام مربع پرسیده می‌شود.

این پژوهشگران فرض را بر این گذاشته بودند كه عملكرد حافظه دیداری در این بازه‌های زمانی (یك، چهار یا 10 ثانیه) كاركرد این حافظه را بیشتر نمایان كند.

اگر خاطرات كوتاه‌مدت دیداری كم‌كم از بین بروند، دقت شركت‌كنندگان در یادآوری رنگ‌ها حتی پس از بازه زمانی طولانی‌تر باید زیاد بماند و فقط اندكی با رنگ اصلی مربع تفاوت داشته باشد، ولی اگر خاطرات یكباره از بین رود، شركت‌كنندگان باید بتوانند پاسخ‌های دقیقی بیان كنند و بعد از این كه بازه زمانی طولانی شد، فقط به حدس‌های خود تكیه كنند و نتوانند رنگ مورد نظر را به خاطر آورند.

نتیجه آزمایش این شد كه شركت‌كنندگان پاسخ بسیار دقیقی می‌دادند یا فقط آن را حدس می‌زدند. یعنی رنگ مربع را بدقت به خاطر می‌آوردند یا كاملا آن را فراموش كرده بودند.

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

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

این دانشمندان به گروهی از شركت‌كنندگان، 3000 تصویر از مناظر مختلف نظیر امواج اقیانوس، زمین گلف یا پارك بازی نشان دادند سپس به این شركت‌كنندگان 200 جفت عكس نشان داده شد.

هر جفت از عكس‌ها شامل یكی از عكس‌هایی كه قبلا نشان داده شده بود و یك عكس جدید بود. از شركت‌كنندگان خواسته شد بگویند كدام عكس جدید است.

شركت‌كنندگان در این مطالعه در تعیین عكس جدید و قدیمی بسیار دقیق عمل كردند و در 96درصد از موارد، پاسخ درست بود. به عبارت دیگر، با این كه می‌بایست 3000 عكس به یاد آورده می‌شد، این كار را به بهترین نحو انجام دادند.

با این حال مشخص شد كه این افراد، تنها در مواردی كه عكس جدید و قدیم به دو منظره متفاوت تعلق داشت (مثلا یك زمین گلف در كنار یك پارك بازی) بخوبی عمل می‌كردند.

برای تعیین میزان دقت این خاطرات، پژوهشگران به بررسی مواقعی پرداختند كه دو عكس نشان داده شده به یك منظره (مثلا دو پارك بازی متفاوت) تعلق داشت.

از آنجا كه دو عكس از یك منظره، تفاوت كمتری نسبت به مواقعی داشتند كه دو عكس از دو منظره مختلف بودند، شركت‌كنندگان تنها زمانی می‌توانستند تفاوت‌ها را تشخیص دهند كه جزئیات بسیاری را از تصاویری كه دیده بودند، به یاد می‌آوردند.

همان ‌طور كه انتظار می‌رفت، عملكرد شركت‌كنندگان در تشخیص تفاوت‌ تصاویری كه در یك گروه جای داشتند، ضعیف‌تر بود، ولی چندان هم كم نبود.

در 84 درصد موارد، آنها پاسخ درست داده بودند. در واقع، وقتی آزمایش‌كنندگان، تعداد تصاویری را كه شركت‌كنندگان می‌بایست ابتدا برای هر منظره به یاد می‌آوردند، افزایش دادند، عملكرد مطلوبی در تشخیص تصاویر جدید از قدیمی داشتند و فقط اندكی از كارایی آنان كاسته شد.
‌لحظاتی كه خوابیده‌ایم مغز به فعالیتی مشغول است كه نقش كلیدی در فعالیت‌های خلاقانه دارد، مغز خود را
ویرایش می‌كند و گاه اطلاعات بسیاری را دور می‌ریزد

كاهش كارایی حافظه، در كنار این مطلب كه خاطرات ما جزئیات فراوانی دارند، نشان می‌دهد كه 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 تعیین‌كننده جای گیری یك تصویر در حافظه بلند‌مدت یا كوتاه‌مدت است؟

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

در آزمایش اول، شركت‌كنندگان سعی می‌كردند رنگ‌های بی‌معنا و بی‌ربط را به یاد آورند، لذا ارتباطی با دانش قبلی‌شان ایجاد نمی‌شد. مثل این كه قبل از این‌كه بتوانید نوشته‌های روی تابلو را در دفتر خود یادداشت كنید، همه‌شان پاك می‌شوند، ولی در آزمایش دوم، شركت‌كنندگان تصاویری می‌دیدند كه قبلا در مورد آنها اطلاعات معناداری داشتند؛ مثلا این كه چرخ و فلك 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 كوتاه مدت به مخزن بزرگ حافظه بلندمدت منتقل و در آنجا با دقت فراوان ذخیره شود.

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

پیكسل‌های اشباع‌شده

یادگیری وقتی روی می‌دهد كه یك تجربه (مثل گوش‌كردن به یك 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 كه با یكدیگر فعالیت می‌كنند، قوی‌تر و پیوند نورون‌های غیرمرتبط ضعیف می‌شود.

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

هنگام خواب، این تجربه بارها و بارها تكرار 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 یك دهه قبل، خواب را تكرار یادگیری روزانه می‌دانستند، اما تونونی ایراداتی در این دیدگاه یافته است.

وی می‌گوید: اگر اتصالات نورون‌ها (سیناپس‌ها) در طول روز و شب‌های متوالی، محكم‌تر و قوی‌تر شود، در نهایت اشباع می‌شوند. درست مثل پیكسل‌های اشباع شده در یك تصویر بسیار روشن كه وقتی تعداد سیناپس‌های یكسان به نهایت خود می‌رسد، اطلاعات چندانی تولید نمی‌كند در این صورت، مغز دیگر فضایی برای ذخیره اطلاعات نخواهد یافت.

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

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

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

بین این دو نیروی مخالف، نوعی رقابت وجود دارد كه 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 كرد كه كدام فرآیند زیست‌شناختی، دلیل تغییرات در خواب با امواج آهسته است. شدت این نوع خواب با قدرت سیناپس‌ها رابطه دارد.

وقتی نورون‌ها با هم فعالیت می‌كنند، این اتصالات عصبی به صورت هماهنگ فعال می‌شوند. جریان الكتریكی كه در میان آنها جریان دارد، سیگنال امواج آهسته را تولید می‌كند كه توسط الكترودهای متصل به سر افراد ثبت می‌شود.

تونونی نتیجه‌گیری می‌كند كه بیدار ماندن سبب تكثیر یا تقویت سیناپس‌ها می‌شود و شدت اولیه این خواب با امواج آهسته نشان‌دهنده قدرت این شبكه‌های سلولی است بنابراین تضعیف یا درهم شكسته شدن سیناپس‌ها، دلیل كاهش سیگنال‌های خواب در طول شب است.

این پژوهشگر برای دفاع از این فرضیه ـ كه خودش آن را هم‌ایستایی سیناپسی (synaptic homeostasis) می‌نامد ـ تصمیم گرفت تفاوت سیناپس‌ها را بین حالت بیداری و خواب بررسی كند. در پژوهشی كه نتایج آن در سال 2008 منتشر شد، او و همكارانش بافت‌هایی را كه از مغز موش‌های بیدار و خوابیده گرفته بودند، در آزمایشگاه كشت دادند.

در نمونه‌های بافتی، پژوهشگران از پادتن‌های رادیواكتیو برای انتخاب و علامت‌گذاری برخی پروتئین‌های خاص ـ كه فقط در سیناپس‌ها موجود است ـ استفاده كردند. نتیجه آن شد كه بسیاری از پروتئین‌ها در موش‌های خوابیده، بسیار كمتر از موش‌های بیدار بود.

این پژوهشگران نتیجه گرفتند كه تعداد سیناپس‌ها در مغز خوابیده كمتر است یا این سیناپس‌ها چندان امكان ارتباط موثر را ندارند و به كلامی دیگر، ضعیف‌تر هستند.

پژوهشی كه سال 2010 از سوی برخی دانشمندان دانشگاه ییل صورت گرفت، تائید دیگری بر این فرضیه بود. این تیم پژوهشی با همكاری تونونی به بررسی فعالیت الكتریكی تك‌ نورون‌ها در قطعات بافت مغزی به دست آمده از موش‌های خواب و بیدار پرداخت.

نورون‌ها به صورت مرتب از طریق جریان‌های الكتریكی كوچكی كه به سیناپس‌های خود می‌فرستادند، با یكدیگر ارتباط برقرار می‌كردند.

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

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

مگس‌های بی‌خواب
اگر خواب سبب تغییر شكل سیناپس‌ها می‌شود، پژوهشگران باید بتوانند نشانه‌های ساختاری این تغییر را مشاهده كنند.

سیناپس‌هایی كه نورون‌ها از طریق آنها ارتباط برقرار می‌كنند، ممكن 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 الكتریكی بین دو نورون انتقال می‌یابد. دانشمندان با اتصال مواد درخشنده به پروتئین‌هایی كه در دو طرف سیناپس هستند، می‌توانند سیناپس‌ها را مشاهده كنند.

سال 2011 تونونی همراه دو دانشمند عصب‌شناس، اندازه و تعداد سیناپس‌های موجود در مغز مگس سركه را تعیین كردند.

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

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

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

پژوهشگران مشاهده كردند، تعداد كل سیناپس‌ها در واحد حجم هنگام بیداری افزایش می‌یافت و تا وقتی موش‌ها از خواب محروم بودند، این تعداد همچنان زیاد باقی می‌ماند و مدت كوتاهی پس از این‌كه موش‌ها اجازه خواب می‌یافتند، كاهش می‌یافت.

اثرات خواب
نظریه هم‌ایستایی سیناپسی، از جذابیت‌های زیادی برخوردار است، اما برای این‌كه این نظریه دلیل اصلی خواب مطرح شود، پژوهش‌های دیگری نیز باید صورت گیرد تا اثرات ناشی از تضعیف سیناپس‌ها بر یادگیری، حافظه و ادراك 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 كه خواب، سبب تجدید قوا می‌شود. قطعات ادبی زیادی برای بیان این مفهوم در طول سالیان شكل یافته است. شكسپیر در نمایشنامه مكبث، خواب را «بازكننده رشته‌های درهم بافته ذهن» خواند.

احتمالا او نمی‌دانست كه مغز ما، با باز كردن برخی رشته‌هایی كه در طول روز در هم بافته، تجدید قوا می‌كند تا به این ترتیب بتوانیم روزی دیگر را برای آموختن آغاز كنیم.