مطالعه جدیدی نشان داده قشر مغز می‌تواند با شناسایی محرک‌های تازه و تشکیل اثراتی موقت در حافظه مختصر‌زمان به نام «انعکاس‌ها»، آینده را پیش‌بینی کند. در این پژوهش، محققان توانسته‌اند این مکانیسم را که نقش کلیدی در ادراک و یادگیری دارد، با منفعت گیری از مدل‌سازی شبکه‌های عصبی قبول کنند. 

قشر مغز (Cerebral Cortex) که بزرگ‌ترین قسمت مغز پستانداران محسوب می‌شود، در تعداد بسیاری از عملکردهای شناختی حیاتی نقش دارد. در انسان، این قسمت مسئول ادراک، تفکر، ذخیره‌سازی حافظه و تصمیم‌گیری است. یکی از فرضیه‌های نقل در علوم اعصاب می‌گوید کارکرد مهم قشر مغز پیش‌بینی رویدادهای آینده از طریق پردازش اطلاعات حسی تازه و قیاس آنها با انتظارات قبلی است.

به گزارش Scitechdaily، پژوهشی که به‌تازگی در مجله Neuron انتشار شده، شواهد مهمی در دفاع از این فرضیه اراعه می‌دهد. این پژوهش به سرپرستی «یوری شیمکیو»، پژوهشگر آزمایشگاه پروفسور «رافائل یوست»، گامی مهم در فهمیدن نقش پیش‌بینی‌کننده قشر مغز به شمار می‌آید. شیمکیو توضیح می‌دهد:

«دریافتیم قشر مغز همانند ماشین حافظه عمل می‌کند؛ توانایی‌های تازه را ثبت و آینده‌ای زیاد نزدیک را پیش‌بینی می‌کند.»

قشر مغز ماشین حافظه‌ای برای پیش‌بینی آینده

پروفسور یوست نیز با اشاره به اهمیت این پژوهش، گفت: «این مطالعه بینش‌های ارزشمندی درمورد نقش قشر مغز اراعه می‌دهد و به فهمیدن بهتر بیماری‌هایی همانند اسکیزوفرنی پشتیبانی می‌کند. در این بیماری‌ها، کارکرد قشر مغز دچار اختلال می‌شود.

تازگی محرک -توانایی تازه و ناشناخته برای مغز- تفاوت بین آنچه انتظار داریم اتفاق بیفتد و آنچه را واقعاً رخ داده است، مشخص می کند. پژوهش ما حاکی از آن است که قشر مغز مدام درحال شناسایی محرک‌های تازه است تا پیش‌بینی‌های خود را اصلاح کند و بهبود ببخشد. توانایی تشخیص تازگی، عملکردی حیاتی برای انسان و دیگر حیوانات محسوب می‌شود.» 

جواب مغز به‌ تازگی محرک: ثبت خاطرات مختصر‌زمان از طریق انعکاس‌های عصبی

این عکس مشخص می کند که چطور صداها در قشر مغز رمزگذاری خواهد شد و نورون‌ها (در سمت راست) از فعالیت «انعکاسی» برای ردیابی محرک‌های شنوایی و تحول و بهبود پیش‌بینی‌های مغز از آینده منفعت گیری می‌کنند.

تیم پژوهشی کار خود را با طراحی آزمایشی برای بازدید عکس العمل موش‌ها به ترکیبی از محرک‌های حسی آشنا و تازه اغاز کرد. این محرک‌ها مجموعه‌ای از صداها با زیروبمی‌های متفاوت بودند. با تصویربرداری از قشر شنوایی موش‌ها (بخشی از قشر مغز که پردازش صدا را بر مسئولیت دارد)، دانشمندان دریافتند گروه‌هایی از نورون‌ها نه‌فقط به نوع صدای شنیده‌شده عکس العمل نشان خواهند داد، بلکه مقدار تازگی آن را نیز فهمیدن می‌کنند. 

مسئله دلنشین اینجاست که هر صدا ردی از فعالیت نورونی به‌ جا می‌گذارد که پژوهشگران آن را «انعکاس» نامیده‌اند. این انعکاس‌ها همانند تاثییر حافظه‌ای مختصر‌زمان، محرک‌های حسی تازه را جستوجو کرده و به مغز پشتیبانی می‌کنند جواب‌های منحصربه‌فردی به ورودی‌های تازه بدهد. این فرایند این چنین علتمی‌شود مغز محرک‌های تازه را شناسایی کند؛ درنتیجه عکس العمل‌های آن به این محرک‌ها تحکیم شود.

مدل‌سازی

برای فهمیدن بهتر این یافته‌ها، تیم پژوهشی مدل شبکه عصبی از قشر شنوایی ساختند و آن را برای شناسایی محرک‌های تازه آموزش دادند. این مدل همان چیزی را که در موش‌ها مشاهده کرده بودند، همانند‌سازی کرد و نشان داد شبکه‌های نورونی برای ذخیره‌سازی مدل محیط از انعکاس‌های فعالیت عصبی منفعت گیری می‌کنند و از آن برای تشخیص تغییرات منفعت می‌برند.

محققان نتیجه گرفتند نحوه ربط نورون‌ها در قشر مغز که به‌صورت حلقه‌های متصل به هم تنظیم شده، علتشده تشخیص تازگی به ویژگی خودبه‌خودی و خودکار شبکه عصبی تبدیل شود. به حرف های پروفسور یوست، «این گامی مهم در فهمیدن توانایی مغز در تشخیص تازگی است.»

او این چنین اشاره کرد مدلی که شیمکیو گسترش داده، بر پایه ایده‌های «جان جی. هاپفیلد»، برنده نوبل ۲۰۲۴ برای ساخت مدل‌های شبکه عصبی و پیشگام در عرصه هوش مصنوعی بنا شده است.

فهمیدن کارکرد قشر مغز در بیماری‌هایی نظیر اسکیزوفرنی

مطالعه تازه مشخص می کند که شبکه‌های نورونی، به‌جای نورون‌های منفرد، مسئول تشخیص تازگی می باشند. این یافته‌ها بینش‌هایی را درمورد کارکرد طبیعی مغز و نیز درمورد اختلالاتی همانند اسکیزوفرنی اراعه می‌دهد.

این پژوهش این چنین بینش‌های تازه‌ای درمورد نقش مهم قشر مغز در اسکیزوفرنی اراعه می‌دهد. پزشکان سال‌ها است که می‌دانند افراد مبتلا به اسکیزوفرنی در اختلاف اطلاعات تازه از اطلاعات قدیمی دچار مشکل می باشند.

در قبل، دانشمندان تلاش می‌کردند حرکت نورون‌های فردی را برای توضیح این یافته‌ها بازدید کنند اما با مشکلاتی روبه رو شدند. یکی از با اهمیت ترین یافته‌های این پژوهش تازه این است که تشخیص تازگی به‌مسئولیت نورون‌های منفرد نیست، بلکه ماموریت شبکه‌های نورونی است. 

پروفسور یوست افزود: «ما زیاد شوق‌زده‌ایم که این یافته‌ها می‌توانند فهمیدن ما از این قسمت حیاتی مغز را عمیق‌تر کنند. این چنین این پژوهش بینش‌های مهمی درمورد مواردی را که امکان پذیر عملکردهای قشر مغز به‌ نادرست پیش برود، اراعه داده و راه‌های اصلاح آن را مشخص می کند.»