علمی، پژوهشی و فناوری

چگونگی عملکرد مغز،

چگونه مغز واقعیت را پیش‌بینی و بازنویسی می کند؟

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری : این تحقیق و نتایج آن می‌تواند به بهبود درک ما از عملکرد مغز و راهکارهای ارتقای توانایی‌های شناختی کمک کند.

محققان در مؤسسه Champalimaud کشف کرده‌اند که چگونه مغز ما محرک‌های بصری را با دانش قبلی برای تقویت ادراک ترکیب می‌کند، که فرایندی کلیدی است و می‌تواند پیامدهایی برای درمان اختلالات سلامت روان مانند اوتیسم و ​​اسکیزوفرنی داشته باشد.

مطالعه آنها که توسط بنیاد la Caixa پشتیبانی می‌شود، نشان می‌دهد که نورون‌ها مفاهیم متفاوت را به هم متصل می‌کنند و توانایی ما برای پیش‌بینی و تفسیر اطلاعات بصری بر اساس تجربیات گذشته را بهبود می‌بخشند.

ایجاد سلسله مراتب دانش

چگونه یاد بگیریم که محیط خود را درک کنیم؟ با گذشت زمان، مغز ما با مفاهیم مرتبه بالاتر مرتبط با ویژگی‌های مرتبه پایین‌تر که آنها را تشکیل می‌دهند، سلسله مراتبی از دانش را ایجاد می‌کند. به عنوان مثال، ما می‌آموزیم که کابینت‌ها دارای کشو هستند و سگ‌های نژاد دالمیشن خال‌های سیاه و سفید دارند.

این چارچوب به هم پیوسته انتظارات و درک ما از جهان را شکل می‌دهد و به ما امکان می‌دهد آنچه را که می‌بینیم بر اساس زمینه و تجربه شناسایی کنیم.

لئوپولدو پتریانو، نویسنده ارشد این مطالعه گفت: «فیل‌ها را در نظر بگیرید. فیل‌ها با ویژگی‌های درجه پایین‌تر مانند رنگ، اندازه و وزن و ویژگی‌های مرتبه بالاتر مانند جنگل‌ها مرتبط هستند. ارتباط مفاهیم به ما کمک می‌کند جهان را درک کرده و محرک‌های مبهم را تفسیر کنیم.»

به عنوان مثال اگر در هند باشید، ممکن است احتمال بیشتری برای دیدن فیل وجود داشته باشد. اما این دانش قبلی در کجای بافت مغز ذخیره شده و چگونه آموخته می‌شود؟

بررسی عملکرد مغز برای پیش‌بینی و بازنویسی واقعیت

نقش بازخورد در پردازش بصری

سیستم بینایی مغز شامل شبکه‌ای از مناطق است که با هم کار می‌کنند، با نواحی پایین‌تر که جزئیات ساده را مدیریت می‌کنند (مانند مناطق کوچک فضا، رنگ‌ها، لبه‌ها) و مناطق بالاتر که مفاهیم پیچیده‌تری را نشان می‌دهند (مانند مناطق بزرگ‌تر از فضا، حیوانات، چهره‌ها).

سلول‌های نواحی بالاتر، اتصالات بازخورد را به مناطق پایین‌تر ارسال می‌کنند و آنها را در موقعیتی قرار می‌دهند که بتوانند روابط دنیای واقعی را که بر اساس تجربه شکل می‌گیرد، یاد بگیرند و جاسازی کنند.

به عنوان مثال، سلول‌هایی که یک فیل را رمزگذاری می‌کنند، ممکن است به سلول‌هایی که ویژگی‌هایی مانند خاکستری، بزرگ و سنگین را پردازش می‌کنند، بازخورد ارسال نمایند. بنابراین محققان در مورد چگونگی تأثیر تجربه بصری بر سازماندهی این پیش‌بینی‌های بازخورد، که نقش عملکردی آن تا حد زیادی ناشناخته است، تحقیق خود را آغاز کردند.

تجربه بصری و اتصالات بازخورد

رودریگو دیاس، یکی از اولین نویسندگان این مطالعه عنوان کرد: «ما به دنبال آن بودیم که متوجه شویم چگونه این پیش‌بینی‌های بازخورد اطلاعات مربوط به جهان را ذخیره می‌کنند.»

وی توضیح داد: «برای انجام این کار، ما اثرات تجربه بصری را بر پیش‌بینی بازخورد به ناحیه بصری پایین‌تری به نام V1 در موش‌ها بررسی کردیم. ما دو گروه موش را به شکلی متفاوت بزرگ کردیم. یکی در یک محیط معمولی با نور منظم و دیگری در تاریکی بزرگ شدند. سپس مشاهده کردیم که چگونه اتصالات بازخورد و سلول‌هایی که در V1 قرار دارند، به مناطق مختلف میدان بینایی پاسخ می‌دهند.»

تأثیر تجربه بصری بر اتصال مغز

در موش‌هایی که در تاریکی بزرگ شده‌اند، اتصالات بازخورد و سلول‌های V1 به صورت مستقیم زیر آنها، هر دو ناحیه‌ای از فضای بصری را نشان می‌دهند.

نویسنده اول این مطالعه،‌ رادیکا راجان بیان کرد: «تعجب‌آور بود که دیدم بازنمایی‌های فضایی نواحی بالاتر و پایین‌تر در موش‌هایی که در تاریکی بزرگ شده بودند، در چه حد با یکدیگر مطابقت دارند. این نشان می‌دهد که مغز یک نقشه ژنتیکی ذاتی برای سازماندهی این اتصالات هم‌تراز فضایی، مستقل از ورودی بصری دارد.»

با وجود این، در موش‌هایی که به شکل معمولی بزرگ شده بودند، این اتصالات با دقت کمتری مطابقت داشتند و ورودی‌های بازخورد اطلاعات بیشتری را از مناطق اطراف میدان بینایی منتقل می‌کردند.

راجان تصریح کرد: «ما دریافتیم که با تجربه بصری، بازخورد اطلاعات متنی و جدیدتری را ارائه می‌کند و توانایی سلول‌های V1 را برای نمونه‌برداری از اطلاعات از ناحیه وسیع‌تری از صحنه بصری افزایش می‌دهد. این اثر به مبدأ در ناحیه بصری بالاتر بستگی داشت. به این شکل که پیش‌بینی‌های بازخورد از لایه‌های عمیق‌تر در مقایسه با لایه‌های سطحی احتمال بیشتری برای انتقال اطلاعات پیرامونی داشتند.»
انطباق مبتنی بر تجربه در بازخورد بصری

همچنین این تیم کشف کردند در موش‌هایی که به طور معمول بزرگ شده بودند، ورودی‌های بازخورد لایه عمیق V1 بر اساس الگوهایی که آنها ترجیح می‌دهند ببینند، مانند خطوط عمودی یا افقی، سازماندهی می‌شوند.

دیاس در این زمینه توضیح داد: «به عنوان مثال، ورودی‌هایی که خطوط عمودی را ترجیح می‌دهند از ارسال اطلاعات فراگیر به مناطق واقع در جهت عمودی اجتناب می کنند. در مقابل، ما در موش‌هایی که در محیط تاریک بزرگ شده بودند، چنین سوگیری در اتصال پیدا نکردیم.»

پتریانو نیز بیان کرد: «این نشان می‌دهد که تجربه بصری نقش مهمی در تنظیم دقیق اتصالات بازخورد و شکل‌دهی اطلاعات فضایی منتقل شده از مناطق بصری بالاتر به پایین‌تر ایفا می‌کند.»

وی اعلام کرد: «ما یک مدل محاسباتی ایجاد کردیم که نشان می‌دهد چگونه تجربه باعث فرایند انتخاب می‌شود و ارتباطات بین بازخورد و سلول‌های V1 را کاهش می‌دهد، که نمایش‌های آنها بیش از حد همپوشانی دارند. این کار افزونگی را به حداقل می‌رساند و به سلول‌های V1 اجازه می‌دهد تا طیف متنوع‌تری از بازخورد را ادغام کنند.»
پیامدهایی برای اختلالات سلامت روان

شاید برخلاف شواهد، ممکن است مغز دانشِ آموخته شده را با اتصال سلول‌هایی که مفاهیم نامرتبط را نشان می‌دهند، رمزگذاری کند و احتمال کمتری دارد که بر اساس الگوهای دنیای واقعی با هم فعال شوند.

این پدیده می‌تواند راهی کم‌مصرف برای ذخیره اطلاعات باشد، به طوری که هنگام مواجهه با یک محرک جدید، مانند یک فیل صورتی، سیم‌کشی از پیش تنظیم‌شده مغز، فعال‌سازی را به حداکثر می‌رساند، تشخیص را افزایش می‌دهد و پیش‌بینی‌ها را در مورد جهان به‌روزرسانی می‌کند.

شناسایی این رابط مغزی که در آن دانش قبلی با اطلاعات حسی جدید ترکیب می‌شود، می‌تواند برای توسعه مداخلات در مواردی که این فرایند یکپارچه‌سازی نادرست عمل می‌کند، ارزشمند باشد.

همان‌گونه که تصور می‌شود چنین عدم تعادلی در بیماری‌هایی مانند: اوتیسم و ​​اسکیزوفرنی رخ می‌دهد. در اوتیسم، افراد ممکن است همه چیز را جدید بدانند، چرا که اطلاعات قبلی به اندازه کافی قوی نیستند که بر ادراک تأثیر بگذارند. بالعکس در اسکیزوفرنی، اطلاعات قبلی ممکن است بیش از حد غالب باشد، که باعث ادراکاتی شود تا به جای اینکه بر اساس ورودی حسی واقعی باشد، درون خود ایجاد می‌شوند.

درک چگونگی ادغام اطلاعات حسی و دانش قبلی می‌تواند به رفع این عدم تعادل کمک کند.