قشر مخ، دستگاه لیمبیک و هیپوتالاموس

قشر مغز دارای نواحی تخصصی برای پردازش زبان و تولید گفتار است. دو ناحیه اصلی در این فرآیند نقش دارند: ناحیه Wernicke و ناحیه Broca. ناحیه Wernicke که مرکز اصلی درک زبان است، وظیفه تفسیر و فهم کلمات شنیده شده و خوانده شده را بر عهده دارد. در مقابل، ناحیه Broca که در قشر prefrontal خلفی-جانبی و بخشی از ناحیه پیش‌حرکتی قرار دارد، الگوهای حرکتی مورد نیاز برای ادای کلمات و بیان گفتار را برنامه‌ریزی می‌کند. اختلال در هر یک از این نواحی منجر به نوع خاصی از آفازی (لکنت یا زوال گفتار) می‌شود. آسیب به ناحیه Wernicke باعث بروز آفازی حسی می‌شود که در آن بیمار در درک کلام (چه به صورت شفاهی و چه کتبی) دچار مشکل جدی می‌شود، اما آسیب به ناحیه Broca منجر به آفازی حرکتی می‌گردد که در آن فهم کلام کاملاً سالم است ولی بیمار قادر به تولید کلام روان و ادای کلمات نیست و فقط اصوات نامفهوم تولید می‌کند.

علاوه بر این دو مرکز، شکنج زاویه‌ای (angular gyrus) به عنوان یک پل ارتباطی بین قشر بینایی و ناحیه Wernicke عمل می‌کند. آسیب به شکنج زاویه‌ای باعث قطع جریان اطلاعات بینایی به ناحیه Wernicke می‌شود که نتیجه آن بروز اختلالی به نام دیس‌لکسی (dyslexia) یا کوری نسبت به کلمات است. در این حالت، بیمار توانایی خواندن و فهم متون کتبی را از دست می‌دهد، اما از آنجا که ناحیه Wernicke سالم است، درک شنیداری او کاملاً طبیعی و عالی باقی می‌ماند. این تفاوت اساسی نشان می‌دهد که تخریب ناحیه Wernicke هم‌زمان فهم شفاهی و کتبی را مختل می‌کند، در حالی که آسیب شکنج زاویه‌ای فقط فهم کتبی را هدف قرار می‌دهد.

ارتباط بین نواحی مختلف گفتاری توسط الیاف قوسی (arcuate fasciculus) برقرار می‌شود که ناحیه Broca را به قشر حرکتی و نواحی اطراف قشر شنوایی متصل می‌سازد. ضایعه در این مسیر ارتباطی باعث بروز آفازی هدایتی (conduction aphasia) می‌شود. بیماران مبتلا به آفازی هدایتی درک کاملی از گفتار و نوشتار دارند، اما توانایی تکرار کلمات و نوشتن در آن‌ها مختل می‌شود. همچنین، باید توجه داشت که آسیب به ناحیه Broca علت آپراکسی حرکتی نیست؛ آپراکسی حرکتی ناشی از آسیب به ناحیه حرکات ماهرانه دست است، در حالی که آسیب به Broca به طور اختصاصی باعث آفازی حرکتی می‌شود.

قشر مغز علاوه بر نواحی حسی و حرکتی اولیه، دارای نواحی ارتباطی گسترده‌ای است که وظیفه ادغام، پردازش و تفسیر اطلاعات پیچیده را بر عهده دارند. یکی از مهم‌ترین این نواحی، ناحیه ارتباطی پاریتو-اکسی‌پیتو-تمپورال (Parieto-Occipito-Temporal) است که نقش کلیدی در ادراک فضایی، شناسایی اشیاء و تفسیر حسی ایفا می‌کند. تجزیه و تحلیل مختصات فضایی تمام قسمت‌های بدن و محیط اطراف از قشر آهیانه خلفی (posterior parietal) آغاز شده و تا قشر پس‌سری فوقانی ادامه می‌یابد. این فرآیند به مغز اجازه می‌دهد تا موقعیت فیزیکی بدن را در فضا درک کند؛ بنابراین، بر خلاف تصور رایج، این فرآیند در قشر پیش‌پیشانی (prefrontal) آغاز نمی‌شود بلکه ریشه در بخش‌های آهیانه‌ای و پس‌سری دارد.

علاوه بر درک فضایی، فرآیند نامیدن اشیاء و شناخت ماهیت فیزیکی آن‌ها نیز حاصل هماهنگی دقیق ورودی‌های مختلف حسی است. یادگیری نام اشیاء اساساً به ورودی‌های شنوایی (شنیدن نام شیء) وابسته است، در حالی که شناخت ماهیت فیزیکی و ویژگی‌های ظاهری آن‌ها از طریق ورودی‌های بینایی به قشر مغز انجام می‌شود. ناحیه اختصاصی مسئول نامیدن اشیاء در جانبی‌ترین قسمت لوب پس‌سری قدامی و لوب گیجگاهی خلفی قرار دارد و آسیب به آن، فرد را در یافتن نام مناسب برای اشیاء دچار مشکل می‌کند.

اختلالات ادراکی ناشی از آسیب به این نواحی ارتباطی بسیار شگفت‌انگیز و در عین حال ناتوان‌کننده هستند. برای نمونه، آسیب وسیع و دوطرفه به نواحی داخلی قشر پس‌سری و گیجگاهی منجر به بروز اختلال prosopagnosia یا عدم تشخیص چهره‌ها می‌شود. در این حالت، فرد با وجود بینایی سالم، توانایی تشخیص چهره دوستان و حتی اعضای خانواده خود را از دست می‌دهد. اختلال حسی دیگر، آستروگنوزی (astereognosis) است که در اثر ضایعات لوب پاریتال ایجاد می‌شود و به معنای عدم توانایی تشخیص شکل ۳ بعدی اشیاء از طریق حس لامسه است، در حالی که حس تشخیص وزن اشیاء ممکن است سالم باقی بماند.

حافظه بر اساس مدت زمان ماندگاری و مکانیسم‌های سلولی به انواع مختلفی تقسیم می‌شود که هر کدام تغییرات سیناپسی خاصی را در سیستم عصبی ایجاد می‌کنند. حافظه کاری (working memory) نوعی حافظه کوتاه‌مدت است که در جریان استدلال فکری برای مدیریت موقت اطلاعات فعال شده و پس از حل مسئله خاتمه می‌یابد. این حافظه توسط لوب‌های prefrontal سازمان‌دهی و نگهداری می‌شود و برخلاف حافظه بلندمدت، نیازی به عملکرد طبیعی هیپوکمپ ندارد. از آنجا که حافظه کاری ناشی از تسهیل یا مهار پیش‌سیناپسی است، مهار سنتز پروتئین‌های جدید در مغز، خللی در عملکرد فوری آن ایجاد نمی‌کند.

پدیده عادت کردن (habituation) نوعی حافظه منفی است که در آن مغز یاد می‌گیرد اطلاعات بی‌فایده و تکراری را نادیده بگیرد. مکانیسم سلولی عادت کردن ناشی از بسته شدن پیشرونده کانال‌های کلسیم (Ca^۲+) در غشای پایانه پیش‌سیناپسی است. این امر ورود کلسیم به پایانه را کاهش داده و در نتیجه ترشح نوروترانسمیتر را مهار می‌کند. در مقابل، تسهیل سیناپسی (sensitization) قرار دارد که نوعی حافظه مثبت و پاسخی تقویت‌شده به محرک‌ها است. در این فرآیند، آزادسازی سروتونین از پایانه تسهیل‌کننده با تحریک آدنیلیل سیکلاز باعث افزایش سطح cAMP در پایانه پیش‌سیناپسی حسی می‌شود. افزایش cAMP پروتئین کیناز را فعال کرده و منجر به مسدود شدن کانال‌های پتاسیم (K⁺) می‌گردد. با انسداد این کانال‌ها، پتانسیل عمل طولانی‌تر شده و ورود کلسیم و آزادسازی میانجی عصبی به شدت افزایش می‌یابد.

تفاوت‌های زمانی حافظه به سطح تغییرات در ساختار سیناپس مربوط می‌شود. حافظه میان‌مدت ناشی از تغییرات شیمیایی یا فیزیکی موقت در پایانه پیش‌سیناپسی یا پس‌سیناپسی است و تغییر ساختاری دائمی ندارد. در حالی که حافظه بلندمدت با تغییرات ساختاری واقعی و فیزیکی در سیناپس‌ها تثبیت می‌شود. این تغییرات شامل افزایش دائم تعداد وزیکول‌های سیناپسی، افزایش تعداد پایانه‌های پیش‌سیناپسی و تغییرات دائم در ساختار دندریت‌ها است تا خاطره برای همیشه ثبت شود.

تثبیت حافظه و تبدیل اطلاعات کوتاه‌مدت به بلندمدت فرآیندی پیچیده است که به کارکرد هماهنگ ساختارهای زیرقشری مغز، به ویژه هیپوکمپ و تالاموس نیاز دارد. حافظه بیانی (declarative memory) که شامل یادگیری حقایق علمی، خاطرات جزئیات یک فکر منسجم و قوانین ریاضی است، برای ذخیره‌سازی و تثبیت اولیه خود به طور مستقیم به هیپوکمپ وابسته است. هیپوکمپ به عنوان یک ایستگاه تصمیم‌گیری عمل می‌کند که تعیین می‌نماید کدام اطلاعات از حافظه کوتاه‌مدت به نواحی دیگر قشر مغز فرستاده شده و به حافظه بلندمدت تبدیل شوند. تثبیت حافظه بیانی شامل فرآیندی است که در آن هیپوکمپ اطلاعات جدید را تکرار می‌کند تا سیناپس‌های قشر مخ دچار تغییرات ساختاری دائمی شوند. بدون این فرآیند واسطه‌ای، اطلاعات جدید پس از مدت کوتاهی محو می‌گردند.

آسیب دوطرفه به هیپوکمپ پیامدهای بسیار مشخصی دارد. این آسیب منجر به فراموشی پیش‌گرا (anterograde amnesia) می‌شود؛ به این معنی که بیمار توانایی تثبیت اطلاعات جدید کلامی و نمادین را برای مدتی بیش از چند دقیقه از دست می‌دهد. با این حال، خاطرات قدیمی و مربوط به گذشته دور که پیش از آسیب هیپوکمپ ذخیره شده‌اند، کاملاً سالم و دست‌نخورده باقی می‌مانند. در فراموشی پیش‌گرا، بیمار به طور مداوم در زمان حال زندگی می‌کند؛ زیرا مغز او نمی‌تواند پیوندی میان تجربیات جدید و انبارهای حافظه بلندمدت برقرار کند. نکته بسیار مهم دیگر این است که هیپوکمپ نقشی در یادگیری مهارت‌های حرکتی و رفلکسی (مانند یادگیری ورزش‌ها یا نواختن سازها) ندارد؛ بنابراین، بیماران مبتلا به ضایعه هیپوکمپ همچنان می‌توانند مهارت‌های فیزیکی جدید را یاد بگیرند، هرچند که ممکن است به یاد نیاورند قبلاً چنین تمرینی انجام داده‌اند.

در مقابل، آسیب اختصاصی به برخی نواحی تالاموس منجر به فراموشی پس‌گرا (retrograde amnesia) می‌شود. در فراموشی پس‌گرا، فرد توانایی فراخوانی خاطرات ثبت‌شده گذشته، به ویژه خاطرات مربوط به گذشته نزدیک را از دست می‌دهد، در حالی که ممکن است توانایی او در ثبت اطلاعات جدید کمتر آسیب ببیند. این امر نشان می‌دهد تالاموس نقش مهمی در فرآیند بازیابی و جستجوی اطلاعات ذخیره شده در قشر مغز ایفا می‌کند.

فرآیندهای حیاتی بدن، هوشیاری و پاسخ‌های هیجانی توسط شبکه‌ای از هسته‌ها در ساقه مغز و سیستم لیمبیک کنترل می‌شوند. عملکردهای حیاتی پایه مانند تنظیم تنفس در سطح مغز پایین (lower brain) یا همان ساقه مغز پردازش و اداره می‌شوند. کمی بالاتر در پل مغزی، تحریک بخش فوقانی تشکیلات مشبک (reticular formation) نقش بسیار مهمی در فرستادن سیگنال‌های فعال‌کننده به قشر مغز دارد و بدین ترتیب میزان هوشیاری، آگاهی و چرخه خواب و بیداری را کنترل می‌کند. در این ناحیه، سیستم‌های واسطه شیمیایی اختصاصی وجود دارند؛ هسته لوکوس سرولئوس (locus coeruleus) واقع در پل مغزی، محل اصلی استقرار نورون‌های ترشح‌کننده نورآپی‌نفرین است که با توزیع وسیع خود در مغز، اثرات تحریکی عمومی ایجاد می‌کند.

در مقابل، هسته‌های رافه (raphe nuclei) در بصل‌النخاع قرار دارند که با ترشح سروتونین به نخاع، پیام‌های درد را سرکوب کرده و به القای خواب طبیعی کمک می‌کنند. تعدیل درد توسط آمیگدال و هسته‌های رافه نمونه‌ای از سیستم‌های درون‌زاد مهار درد هستند. وقتی پیام درد به نخاع می‌رسد، سروتونین آزادشده از فیبرهای پایین‌رونده هسته‌های رافه، انتقال سیناپسی درد را مهار می‌کند. بخش مهم دیگری که پاسخ‌های رفتاری و عاطفی را هماهنگ می‌کند، آمیگدال (amygdala) است. آمیگدال مجموعه‌ای از هسته‌های کوچک است که به عنوان دریچه‌ای به سیستم لیمبیک، دقیقاً در زیر قشر جلویی داخلی لوب گیجگاهی قرار دارد. این ساختار در ایجاد پاسخ‌های انگیزشی-عاطفی به درد و کسب یادگیری‌های هیجانی نقشی کلیدی دارد. همچنین هسته قاعده‌ای-جانبی آمیگدال نقش بارزی در حافظه و یادگیری ایفا می‌کند.

تغییر در فعالیت آمیگدال تأثیرات شگرفی بر رفتار حیوان و انسان دارد. بر خلاف تصور رایج، غیرفعال کردن یا آسیب دوطرفه به آمیگدال منجر به تشدید رفتارهای وحشیانه نمی‌شود؛ بلکه باعث کاهش ترس و هیجان و مهار رفتارهای تهاجمی می‌گردد که این تغییرات رفتاری تحت عنوان سندرم Klüver-Bucy شناخته می‌شوند؛ در این حالت موجود زنده حالت اهلی به خود می‌گیرد و دیگر نسبت به محرک‌های ترساننده پاسخی نشان نمی‌دهد. سندرم کلور-بوسی علاوه بر اهلی شدن، شامل رفتارهای کاوشگرانه بیش از حد و عدم هراس از خطرات طبیعی است.

هیپوتالاموس با وجود وسعت بسیار کوچک خود، مرکز فرماندهی اصلی بقا، هموستاز، تنظیم غدد درون‌ریز و رفتارهای انگیزشی در مغز است. این ساختار از هسته‌های متعددی تشکیل شده است که هر کدام وظایف حیاتی خاصی دارند. برای تنظیم ریتم‌های شبانه‌روزی (مانند چرخه خواب، ترشح ملاتونین و نوسانات دما)، دو هسته کوچک سوپراکیاسماتیک (SCN) در بالای کیاسمای بینایی قرار دارند که به عنوان ساعت زیستی بدن عمل می‌کنند. همچنین کنترل رفلکس‌های تغذیه‌ای پایه مانند لیسیدن لب‌ها و بلع بر عهده اجسام پستانی (mammillary bodies) در هیپوتالاموس است.

یکی از حیاتی‌ترین وظایف هیپوتالاموس، تنظیم دقیق رفتار تغذیه و مایعات بدن است. هسته شکمی میانی (VMH) مرکز سیری است؛ تحریک این هسته مصرف غذا را کاهش می‌دهد، در حالی که تخریب آن منجر به اشتهای سیری‌ناپذیر، پرخوری شدید و چاقی مفرط می‌شود. در مقابل، هیپوتالاموس جانبی (LH) مرکز گرسنگی و تشنگی است؛ تخریب دوطرفه آن باعث بی‌اشتهایی مفرط و امتناع از غذا و آب می‌گردد. مرکز تشنگی در LH با افزایش اسمولاریته پلاسما، کاهش حجم یا فشار خون و خشکی دهان تحریک می‌شود. در این میان، اتساع معده به عنوان یک فیدبک منفی، مانع از تشنگی بیشتر می‌شود و محرک تشنگی نیست. تحریک هیپوتالاموس جانبی علاوه بر ایجاد گرسنگی، با فعال‌سازی سیستم سمپاتیک باعث افزایش فشار شریانی و ضربان قلب می‌گردد و از مراکز پاداش قوی مغز است؛ در حالی که تحریک هسته‌های دور بطنی (periventricular) مجاور بطن سوم، رفتارهای مربوط به خشم, ترس و تنبیه را القا می‌کند.

هیپوتالاموس در تنظیم دما و غدد درون‌ریز نیز نقش محوری دارد. ناحیه قدامی-پره‌اپتیک مرکز اصلی تشخیص نوسانات دمای بدن است و اطلاعات دریافتی را به هیپوتالاموس خلفی می‌فرستد؛ هیپوتالاموس خلفی نیز پیام‌های دمایی را ادغام کرده و واکنش‌های حفظ یا تولید گرما را هماهنگ می‌کند. در بخش غددی، هسته سوپرااپتیک هورمون آنتی‌دیورتیک (ADH) را برای کنترل دفع کلیوی آب ترشح می‌کند، در حالی که تحریک هسته پاراونتریکولار منجر به ترشح اکسی‌توسین می‌شود.