دانشمندان در امواج مغز، آینده احتمالی را مشاهده می‌کنند

منتشرشده در: مجله quantamagazine به تاریخ ۲۷ فوریه ۲۰۲۰
نویسنده: Jordana Cepelewicz
لینک مقاله اصلی: https://www.quantamagazine.org/in-brain-waves-scientists-see-neurons-juggle-possible-futures-20200224/

تصمیمات، تصمیمات. همه ما دائما با انتخاب‌های آگاهانه و ناخودآگاه مواجه هستیم.نه تنها در مورد این که چه چیزی باید بپوشیم، چه چیزی بخوریم و یا چطور آخر هفته را سپری کنیم، بلکه در مورد این که هنگام برداشتن مداد از کدام دست استفاده کنیم، و یا اینکه چگونه وزن خود را روی صندلی بگذاریم. برای گرفتن تصمیمات حتی جزئی، مغز ما توده «چه چیز را» بررسی می‌کند و فرضیات را وزن می‌کند. برای مثال، حتی برای انتخاب‌هایی که به نظر می‌رسد به صورت خودکار از مسیر یک ماشین با سرعت خارج می‌شوند، مغز می‌تواند به سرعت از تجربیات گذشته برون یابی کند تا پیش‌بینی‌ها و رفتار را هدایت کند.

در مقاله‌ای که ماه گذشته در نشریه سلول منتشر شد، گروهی از محققان در کالیفرنیا با دقت به مغز موش‌ها در آستانه تصمیم‌گیری نگاه کردند و مشاهده کردند که نورون‌های آن‌ها به سرعت انتخاب‌های رقابتی موجود برای آن‌ها را انجام می‌دهند.مکانیزمی که آن‌ها توصیف کردند، نه تنها بر تصمیم‌گیری، بلکه بر توانایی حیوانات برای پیش‌بینی فرصت‌های انتزاعی - چیزی شبیه به تخیل - نیز تاثیر می‌گذارد.

این گروه، به رهبری دانشمند علوم عصبی، لورن فرانک از دانشگاه کالیفرنیا، سان‌فرانسیسکو، فعالیت سلول‌ها در هیپوکامپوس را بررسی کرد. این منطقه مغزی به شکل اسب دریایی، نقش‌های مهمی را هم در جهت‌یابی و هم در ذخیره و بازیابی خاطرات ایفا می‌کند. آن‌ها توجه بیشتری به نورون‌هایی به نام سلول‌های مکانی، با نام مستعار «جی‌پی‌اس مغز» داشتند، زیرا در ذهن خود محل یک حیوان را در حالی که در فضا حرکت می‌کند، ترسیم می‌کردند.

نشان‌داده شده‌است که سلول‌های مکانی به سرعت در توالی‌های ویژه‌ای در حالی که حیوان در محیط خود حرکت می‌کند، شلیک می‌شوند. این فعالیت مربوط به حرکت از پشت حیوان به جلو است. (مطالعات نشان داده‌اند که این حرکت رو به جلو همچنین شامل اطلاعاتی در مورد موقعیت اهداف یا پاداش‌ها نیز می‌شود.) این الگوهای فعالیت عصبی، به نام چرخه‌های تتا، تقریبا هشت بار در هر ثانیه در موش‌های صحرایی تکرار می‌شوند و یک خط سیر مجازی مداوم را برای حیوانات نشان می‌دهند.

اما همانطور که فرانک و گروهش حالا فهمیده‌اند، زمانی که یک حیوان در شرف عمل کردن است، فعالیت عصبی مرتبط با چرخه‌های تتا بین مسیرهای احتمالی مختلف آینده به عقب و جلو حرکت می‌کند - نه تنها برای پیش‌بینی آنچه که در پیش است، بلکه به عنوان نوعی آزمایش، عقب و جلو از مسیرهای پیش رو در دوره‌های عمل آینده.

سناریوهای جایگزین در امواج مغز

محققان به موش‌ها آموزش دادند تا مسیرهای متناوب را از طریق یک ماز به شکل W طی کنند در حالی که الکترودها از سلول‌های محل خود ثبت شدند. حیوانات از وسط هزارتو گذشتند و بعد به چپ و راست پیچیدند. اما وقتی موش‌ها به نقطه‌ای رسیدند که مجبور بودند تصمیم بگیرند به کدام سمت بروند، دانشمندان متوجه چیزی عجیب در مورد رفتار سلول‌های محلی آن‌ها شدند.

موش‌ها سلول‌هایی داشتند که در مرکز هزارتو درست قبل از اینکه به چپ بپیچند شلیک می ‌شدند تعدادی دیگر درست قبل از آنکه به راست بپیچند. منطقی به نظر می‌رسید که وقتی موش به نقطه برگشت نزدیک می‌شود، هر دو دسته سلول گاهی اوقات با هم شلیک می‌کنند: در آن ناحیه از هزارتو، فعالیت مشترک سلول‌ها موقعیت فعلی حیوان را منعکس می‌کند. اما این هرگز اتفاق نیفتاد.

مکانیزمی که آن‌ها توصیف کردند، نه تنها بر تصمیم‌گیری، بلکه بر توانایی حیوانات برای پیش‌بینی فرصت‌های انتزاعی - چیزی شبیه به تخیل - نیز تاثیر می‌گذارد.

در عوض، سلول‌ها به نوبت شلیک می‌کردند. به نظر می‌رسید که قبل از اینکه این حیوان به یک مسیر برود، هیپوکامپ او هم گزینه‌های "چپ" و هم "راست" را برای مکان‌هایی که در آینده با آن‌ها مواجه خواهد شد، به طور متناوب بین آن‌ها پردازش می‌کرد - و همیشه آن‌ها را متمایز نگه می‌داشت.

فرانک گفت: «مغز سخت تلاش می‌کرد تا این چیزها را از هم جدا کند. سوال این بود که چرا.»

کار قبلی دیوید ریدیش، دانشمند علوم اعصاب در دانشگاه مینه سوتا، و آدم جانسون مرحوم، انواع مشابهی از پشت و جلو رفتن را از طریق آینده بالقوه در سلول‌های مکانی حیواناتی که در حال طی کردن مسیر خود هستند، نشان دادند. اما به نظر می‌رسید که این تغییرات با اقدامات سنجیده‌تر در ارتباط هستند، و آن دو بررسی نکردند که آیا نمایش‌های «چپ» یا «راست» به صورت تصادفی یا سیستماتیک‌تر ظاهر می‌شوند.

در مقابل، تغییراتی که تیم UCSF شناسایی کرد دقیقا با هر چرخه دیگر ریتم تتا هم تراز بودند. هیپوکامپ نمایشی از انتخاب چرخش چپ در طول یک چرخه ایجاد کرد، سپس به گزینه چرخش راست برای چرخه بعدی تغییر جهت داد. سناریوها همیشه به طور کامل در طول آزمایش جایگزین نمی‌شوند - گاهی اوقات همان سناریو برای چند چرخه باقی می‌ماند - اما ساختار در سیگنال‌ها غیرقابل‌انکار بود دنباله‌های ۱۲۵ میلی‌ثانیه به نظر می‌رسید که فرضیه‌های مختلف مغز در مورد آینده را به یک چارچوب کلی پیوسته و ثابت تقسیم کرده‌اند.

چیزی که در اینجا شگفت‌انگیز است نظم است. گیورگی بوزساکی، یک دانشمند علوم عصبی در دانشکده پزشکی دانشگاه نیویورک که در این تحقیق جدید شرکت نداشته است، می‌گوید: « بسیار باورنکردنی است. این یک رابطه یک به یک است: یک چرخه به چپ، یک چرخه به راست، سپس به چپ، و سپس به راست است.»

او گفت: «مزیت این آرایش بسیار ساختار یافته می‌تواند این باشد که هر سناریو چه می‌شود اگر به روشی متعادل و منظم آزمایش شود.»

وقتی فرانک و همکارانش در طول ریتم تتا بیشتر به فعالیت عصبی نگاه کردند، دریافتند که بخش اول هر چرخه با جایی که موش در حال حاضر بود مطابقت دارد و بخش دوم جایگزین چپ یا راست را نشان می‌دهد. کل این الگو چیزی شبیه به این بود: مکان فعلی، امکان رفتن به چپ، مکان فعلی، امکان رفتن به راست، و تکرار.

نگه داشتن همه گزینه‌ها در دسترس

الگوهای جذاب دیگری نیز از داده‌ها حاصل شده‌اند. به عنوان مثال محققان دریافتند که چرخه‌های تتا نه تنها بین احتمالات چپ و راست که در هزارتو رو به موش قرار گرفته‌اند، بلکه گاهی اوقات چرخه‌های فردی می‌توانند شامل امکان برگشت آن به مسیر خود باشند. این یافته گیج‌کننده بود چون به نظر نمی‌رسید که موش در آن لحظه نیاز به بررسی داشته باشد

به گفته کنت کی، محقق فوق‌دکترا در دانشگاه کلمبیا و اولین نویسنده مقاله سلول، این حقیقت در برابر این ایده بحث می‌کند که هیپوکامپ به سادگی پیش‌بینی می‌کند که حیوان در آینده با چه چیزی مواجه خواهد شد. «این نشان می‌دهد که ساختار چرخه یک روش بالقوه جهانی برای ارتباط دادن چیزهای مختلفی است که هیپوکامپ می‌تواند رمز گذاری کند»

در این مورد، فرانک گفت: «به نظر می‌رسد که این یک نمایش صریح از فکر کردن است، اگر من به سمت دیگری می‌رفتم، چه اتفاقی می‌افتاد و آیا برگشت ارزش داشت؟»

بنابراین به نظر می‌رسد که ریتم تتا در مورد کدگذاری فرضیات، هدف کلی تری دارد. مارک براندون، یک دانشمند علوم عصبی در دانشگاه مک گیل که در این مطالعه شرکت نداشته است گفت: «هر چرخه حاوی محتوای خاصی است. ممکن است "به چپ بپیچید" یا "به راست بپیچید. " اما به بیان وسیع‌تر، می‌توان گفت که یک حافظه خاص یا رویداد خاصی که اتفاق‌افتاده است، در این قطعات ۱۲۵ میلی‌ثانیه‌ای که توسط نوسان تتا فراهم شده‌است، کد می‌شود.»

ردیش، که در تحقیق جدید دخیل نبود، با این نظر موافق بود. وی گفت: «این تنها نمایش فضا نیست، بلکه نوعی ساختار اپیزودیک است " این واقعا در مورد در نظر گرفتن گزینه‌های شماست.»

شاید محققان می‌گویند که چرخه تتا یک واحد محاسباتی اساسی است که هیپوکامپ برای بررسی چنین انتخاب‌های انتزاعی از آن استفاده می‌کند.اغلب اوقات، محتوای آن احتمالا براساس تجربه است و ممکن است به حیوان این امکان را بدهد که به سرعت و به طور انعطاف‌پذیر به محیط در حال تغییر پاسخ دهد - تا از دست یک شکارچی فرار کند. کی گفت: «اما کار ما همچنین نشان می‌دهد که این کار لزوما نیازی به کمک فوری یا فوق‌العاده روشن در آینده ندارد. ممکن است در خلاقیت، در فرآیندهای تولیدی یا تخیلی به طور گسترده‌تر نقش داشته باشد.»

این احتمال، هیپوکامپ را به عنوان یک منطقه مغزی قرار می‌دهد که تنها به تصمیم‌گیری با استفاده از وظایف مربوط به حافظه کمک نمی‌کند. بلکه باید آن را به عنوان یک ساختار یادگیری در نظر گرفت، چیزی که تولید می‌کند و نمونه‌هایی از آینده تصور شده، شبیه‌سازی گزینه‌ها برای دیگر نواحی مغزی برای ارزیابی و عمل بر روی آن است. به نظر می‌رسد که چرخه‌های تتا نقطه ورود روشنی برای حل این مساله باشند.

کسری از پنجره‌های دوم نیز ممکن است برای درک فرآیندهای شناختی دیگر و یا شرایط عصبی حیاتی باشد. اغلب، مطالعات فرآیندهای عصبی متوسط فعالیت سلول را در طول یک آزمایش نشان می‌دهند؛ کار فرانک و همکارانش اهمیت تجزیه اطلاعات که در مقیاس‌های زمانی بسیار سریع‌تر بسته‌بندی می‌شوند را نشان می‌دهد.

محققان در حال حاضر در حال بررسی مکانیزمی هستند که باعث ظهور الگوهای متناوب مشاهده‌شده و این که چگونه این فعالیت بر بخش‌های دیگر مغز در طول تصمیم‌گیری تاثیر می‌گذارد. آن‌ها همچنین در حال انجام آزمایش‌های ماز هستند که شامل بیش از دو سناریوی جایگزین است. با اینکه ضرب‌های مغزی در جوندگان با ضرب‌های مغزی در انسان‌ها متفاوت است اما محققان امیدوارند که یافته‌های آن‌ها برای گونه‌های دیگر نیز صادق باشد.

کی گفت: «ما تنها سطح درک ساختار مقیاس زمانی ظریف شناخت و تصور را بررسی می‌کنیم» او همچنین گفت: «فکر کردن به این موضوع سرگرم‌کننده است.»

این مقاله توسط کمک مترجم ترجمیار و به صورت خودکار ترجمه شده و مورد بازبینی و ویرایش محدود انسانی قرار گرفته است.