رمزگشایی سیستم GPS مغز؛ تنها با فکر کردن به یک مکان، نقشه‌های ذهنی فعال می‌شوند!

دانشمندان عصب‌شناسی داشنگاه MIT کشف کرده‌اند که مغز، خواه به‌طور فیزیکی از یک فضا عبور کند یا به‌صورت ذهنی، از بازنمایی‌های شناختی یکسانی استفاده می‌کند. این کشف نقش قشر اینترورینال در پردازش تجربیات فیزیکی و تصورات را برجسته کرده است.

هنگامی که مسیر معمول خود را به سمت محل کار یا فروشگاه مواد غذایی طی می‌کنید، مغز شما نقشه‌های شناختی ذخیره‌شده در هیپوکامپ و قشر اینترورینال را فعال می‌کند. این نقشه‌ها اطلاعات مربوط به مسیرهایی که پیموده‌اید و مکان‌هایی که قبلاً به آن‌ها رفته‌اید را ذخیره می‌کنند، بنابراین می‌توانید هر زمان که به آنجا بروید، مسیر خود را جهت‌یابی کنید.

تحقیقات جدید از MIT نشان داده است که چنین نقشه‌های ذهنی حتی زمانی که تنها به توالی تجربیات فکر می‌کنید و هیچ حرکتی فیزیکی یا ورودی حسی وجود ندارد نیز ایجاد و فعال می‌شوند. در یک مطالعه روی حیوانات، محققان دریافتند که قشر اینترورینال یک نقشه شناختی از آنچه حیوانات هنگام مرور یک توالی از تصاویر با استفاده از جوی استیک تجربه می‌کنند را در خود جای می‌دهد. این نقشه‌های شناختی سپس هنگام فکر کردن به این توالی‌ها، حتی زمانی که تصاویر قابل مشاهده نیستند، فعال می‌شوند.

این اولین مطالعه‌ای است که اساس سلولی شبیه‌سازی ذهنی و تخیل در یک حوزه غیرمکانی از طریق فعال‌سازی نقشه شناختی در قشر اینترورینال را نشان می‌دهد.

مهراد جزایری، استادیار علوم مغزی و شناختی، عضو موسسه تحقیقات مغزی مک‌گاورن MIT و نویسنده اصلی این مطالعه، می‌گوید:

“این نقشه‌های شناختی برای انجام جهت‌یابی ذهنی بدون هیچ ورودی حسی یا خروجی حرکتی به‌کار گرفته می‌شوند. در حالیکه حیوان از این تجربیات به‌طور ذهنی عبور می‌کند، ما قادر به دیدن یک نشانه از این نقشه هستیم که خود را ارائه می‌دهد”

سوجایا نوپان، دانشمند پژوهشی در موسسه مک‌گاورن، دیگر نویسنده اصلی این مقاله است که در ۱۲ ژوئن در مجله Nature منتشر شد. ایلا فیته، استاد علوم مغزی و شناختی در MIT، عضو موسسه تحقیقات مغزی مک‌گاورن MIT و مدیر مرکز عصبی‌شناسی محاسباتی یکپارچه لیسا یانگ نیز از نویسندگان این مقاله است.

بررسی نقشه‌های شناختی در جهت‌یابی ذهنی

پژوهش‌های گسترده‌ای روی مدل‌های حیوانی و انسان‌ها نشان داده است که بازنمایی‌های مکان‌های فیزیکی در هیپوکامپ، ساختاری کوچک به شکل اسب دریایی، و قشر انتورینالِ نزدیک به آن، ذخیره می‌شوند. این بازنمایی‌ها هر زمان که حیوان از فضایی که قبلاً در آن بوده است عبور می‌کند، دقیقاً قبل از عبور از فضا یا زمانی که خواب است، فعال می‌شوند.

جزایری می‌گوید:

“اکثر مطالعات قبلی بر روی چگونگی انعکاس این ساختارها و جزئیات محیط به هنگام حرکت فیزیکی حیوان از فضا تمرکز کرده‌اند. هنگامی که حیوان در اتاقی حرکت می‌کند، تجربیات حسی آن به‌خوبی توسط فعالیت نورون‌ها در هیپوکامپ و قشر اینترورینال رمزگذاری می‌شوند.”

در مطالعه جدید، جزایری و همکارانش می‌خواستند بررسی کنند که آیا این نقشه‌های شناختی در طول اجرای کاملاً ذهنی یا تصور حرکت در حوزه‌های غیرمکانی نیز ساخته و استفاده می‌شوند؟

بررسی نقشه‌های شناختی در وظایف ذهنی

برای بررسی این امکان، پژوهشگران حیوانات را آموزش دادند تا از یک اهرم برای ترسیم مسیری در طول یک توالی تصاویر (“نقاط نشانه”) که در فواصل زمانی منظم قرار داشتند، استفاده کنند. در طول آموزش، به حیوانات تنها یک زیرمجموعه از جفت تصاویر نشان داده شد اما نه همه جفت‌ها. پس از اینکه حیوانات یاد گرفتند در طول جفت‌های آموزشی جهت‌یابی کنند، پژوهشگران آزمایش کردند که آیا حیوانات می‌توانند با جفت‌های جدیدی که قبلاً ندیده‌اند، کار کنند یا خیر.

یک احتمال این است که حیوانات از توالی تصاویر یک نقشه شناختی به‌دست نیاورده و به‌جای آن از یک استراتژی حفظی استفاده کرده‌اند. اگر چنین باشد، انتظار می‌رود با جفت‌های جدید مشکل داشته باشند. در عوض، اگر حیوانات به نقشه شناختی متکی باشند، باید بتوانند دانش خود را به جفت‌های جدید تعمیم دهند.

جزایری می‌گوید:

نتایج بدون ابهام بود. حیوانات از اولین باری که آزمایش شدند، قادر به جهت‌یابی ذهنی بین جفت‌های جدید تصاویر نیز بودند.” این یافته شواهد رفتاری قوی برای وجود نقشه شناختی ارائه داد. اما چگونه مغز چنین نقشه‌ای را ایجاد می‌کند؟

الگوهای عصبی و جهت‌یابی ذهنی

برای پرداختن به این سوال، پژوهشگران تک نورون‌های قشر اینترورینال را در حین انجام این وظیفه بررسی کردند. پاسخ‌های عصبی ویژگی چشم‌گیری داشتند؛ به‌هنگام استفاده حیوانات از این اهرم برای جهت‌یابی بین دو نقطه نشانه، نورون‌ها دارای افزایش فعالیت ناگهانی بودند که به بازنمایی ذهنی از مداخله‌ی این دو نقاط نشانه‌ مرتبط بود.

جزایری می‌گوید:

این افزایش فعالیت در زمانیکه تصاویر  باید از مقابل چشمان حیوان عبور می‌کردند، اتفاق می‌افتد که در واقع عبور نکردند! زمان‌بندی بین این افزایش‌ها نیز، به‌طور حیاتی، همان زمانی بود که حیوان انتظار داشت به هر یک از آنها برسد، که در این مورد 0.65 ثانیه بود.

پژوهشگران همچنین نشان دادند که سرعت شبیه‌سازی ذهنی با عملکرد حیوانات در وظیفه مرتبط بود؛ زمانیکه آن‌ها کمی دیر یا زود وظیفه را به پایان می‌رساندند، فعالیت مغزی‌شان نشان‌دهنده تغییرات متناسب در زمان‌بندی بود. پژوهشگران همچنین شواهدی یافتند که نشان می‌دهد بازنمایی‌های ذهنی در قشر اینترورینال ویژگی‌های بصری خاص تصاویر را رمزگذاری نکرده، بلکه ترتیب نقاط نشانه را رمزگذاری می‌کنند.

توسعه یک مدل محاسباتی از یادگیری

برای بررسی بیشتر چگونگی کارکرد این نقشه‌های شناختی، پژوهشگران یک مدل محاسباتی ساختند تا فعالیت مغزی که پیدا کرده بودند را تقلید کند و نشان دهند چگونه می‌تواند تولید شود. آن‌ها از نوعی مدل به نام مدل جاذب پیوسته استفاده کردند که در ابتدا برای مدل‌سازی چگونگی دنبال کردن قشر اینترورینال از موقعیت حیوان به‌هنگام حرکت، بر اساس ورودی حسی، توسعه یافته بود.

پژوهشگران این مدل را با افزودن یک جزء که قادر به یادگیری الگوهای فعالیت تولیدشده توسط ورودی حسی بود، برای همین پژوهش به‌صورت اختصاصی توسعه دادند. این مدل سپس قادر به یادگیری استفاده از این الگوها برای بازسازی این تجربیات در آینده، زمانی که هیچ ورودی حسی وجود نداشت، بود.

جزایری می‌گوید:

عنصر کلیدی که باید اضافه می‌کردیم این بود که این سیستم ظرفیت یادگیری دوطرفه با برقراری ارتباط با ورودی‌های حسی را دارد. از طریق یادگیری انجمنی که مدل از آن عبور می‌کند، در واقع آن تجربیات حسی را بازسازی خواهد کرد.

پژوهشگران اکنون قصد دارند بررسی کنند که اگر نقاط نشانه به‌طور مساوی فاصله نداشته باشند یا اگر به‌صورت حلقه‌ای مرتب شده باشند در مغز چه اتفاقی می‌افتد. آن‌ها همچنین امیدوارند  فعالیت مغزی در هیپوکامپ و قشر اینترورینال را به‌هنگام اولین بار یادگیری حیوانات برای انجام وظیفه جهت‌یابی ضبط کنند.

جزایری همچنین گفت:

دیدن تبلور حافظه از یک ساختار و اینکه چگونه منجر به فعالیت عصبی می‌شود، یک روش واقعاً ارزشمند برای پاسخ به چگونگی وقوع یادگیری است.

منبع: Scitechdaily