کشف ساختار کوچکی در مغز که آینده را پیش‌بینی می‌ کند

دانشمندان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) و دانشگاه نورث‌ایسترن کشف کرده‌اند که ساختار کوچکی در مغز انسان می‌تواند مشاهده تصاویر و احساس لمس را پیش از وقوع آنها پیش‌بینی کند.

 به گزارش سرویس علمی تک‌ناک،  این یافته نشان می‌دهد که مغز برخلاف تصور رایج، فقط به اطلاعات حسی واکنش نشان نمی‌دهد، بلکه برای دریافت آنها از قبل آماده می‌شود.

این پژوهش جدید در مجله علمی Nature Neuroscience منتشر شده است. پژوهشگران با بررسی فعالیت مغزی ۸۰ فرد بزرگسال دریافتند که بخش‌هایی از مغز، حتی پیش از مشاهده تصویر یا دریافت فشار فیزیکی، الگوهای فعالیت مشخصی نشان می‌دهند. این کشف می‌تواند درک دانشمندان از نحوه پردازش اطلاعات و آماده‌سازی مغز برای رویدادهای آینده را تغییر دهد.

پژوهشگران در این مطالعه ساختار کوچکی به نام «کولیکولوس فوقانی» (Superior Colliculus) را بررسی کردند. این ساختار در مغز میانی قرار دارد و یکی از شناخته‌شده‌ترین بخش‌های ساقه مغز محسوب می‌شود. دانشمندان پیش‌تر نقش آن را در پردازش اطلاعات حسی بررسی کرده بودند، اما پژوهش جدید نشان می‌دهد که فعالیت این بخش فقط به دریافت محرک‌ها محدود نیست.

محققان در گفت‌وگو با وب‌سایت Medical Xpress توضیح دادند که این پژوهش بر اساس مفهومی در علوم اعصاب به نام «پردازش پیش‌بینانه» شکل گرفته است. بر اساس این نظریه، مغز به‌طور مداوم تلاش می‌کند رویدادهای احتمالی آینده را پیش‌بینی کند و برای مواجهه با آنها آماده شود.

به گفته پژوهشگران، واکنش نشان دادن پس از وقوع رویداد می‌تواند هزینه‌بر باشد. به همین دلیل، مغز به‌جای انتظار برای دریافت اطلاعات از محیط، فعالیت‌های خود را متناسب با محرک‌های احتمالی تنظیم می‌کند. یافته‌های جدید نشان می‌دهند که این توانایی ممکن است در بخش‌های عمیق‌تر مغز نیز وجود داشته باشد.

بیشتر بخوانید: ایرانی‌ها دستگاه نقشه‌برداری مغز ساختند

تصویربرداری از مغز ۸۰ داوطلب با فناوری پیشرفته

پژوهشگران برای بررسی عملکرد کولیکولوس فوقانی، فعالیت مغزی ۸۰ فرد بزرگسال را با استفاده از تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی یا fMRI بررسی کردند. آنها برای دستیابی به جزئیات بیشتر از دستگاه تصویربرداری فوق‌قوی ۷ تسلا استفاده کردند که امکان مشاهده فعالیت مغز را با وضوح تقریبی یک میلی‌متر فراهم می‌کند.

این دقت بالا اهمیت زیادی داشت، چرا که کولیکولوس فوقانی ساختار کوچکی است و پژوهشگران باید فعالیت لایه‌های مختلف آن را به‌ صورت جداگانه بررسی می‌کردند.

شرکت‌کنندگان در دو گروه ۴۰ نفره قرار گرفتند. گروه نخست تصاویر مختلفی را مشاهده کردند و گروه دوم فشار مکانیکی را روی انگشت شست دست چپ خود دریافت کردند. پژوهشگران فعالیت مغز را هنگام دریافت این محرک‌ها و پیش از وقوع آنها ثبت کردند.

دانشمندان قصد داشتند به دو پرسش مهم پاسخ دهند. پرسش نخست این بود که آیا سازمان‌دهی کولیکولوس فوقانی در مغز انسان با نتایج مطالعات حیوانی مطابقت دارد یا خیر.

پژوهش‌های قبلی نشان داده بودند که لایه‌های سطحی این ساختار بیشتر مسئول پردازش اطلاعات بینایی هستند، در حالی که لایه‌های عمیق‌تر در پردازش اطلاعات لمسی نقش دارند. پژوهشگران می‌خواستند مشخص کنند که آیا همین الگو در انسان نیز مشاهده می‌شود.

پرسش دوم به فعالیت مغز پیش از دریافت محرک مربوط می‌شد. دانشمندان بررسی کردند که آیا کولیکولوس فوقانی هنگام انتظار برای مشاهده تصویر یا احساس فشار، فعالیت متفاوتی نشان می‌دهد.

شرکت‌کنندگان پیش از دریافت محرک‌ها، وظیفه‌ای مرتبط با تصمیم‌گیری بر اساس شکل‌ها را انجام دادند. سپس پژوهشگران الگوهای فعالیت مغزی را در زمان انتظار و هنگام دریافت واقعی محرک‌ها مقایسه کردند.

نتایج نشان داد که مشاهده تصاویر، فعالیت بیشتری در لایه‌های سطحی کولیکولوس فوقانی ایجاد می‌کند. در مقابل، دریافت فشار مکانیکی باعث افزایش فعالیت در لایه‌های عمیق‌تر این ساختار می‌شود.

مهم‌ترین یافته زمانی آشکار شد که پژوهشگران فعالیت مغز را پیش از دریافت محرک‌ها بررسی کردند. آنها دریافتند که همان الگوهای اختصاصی، حتی زمانی ظاهر می‌شوند که شرکت‌کنندگان فقط انتظار مشاهده تصویر یا احساس لمس را دارند.

به عبارت دیگر، مغز پیش از آنکه تصویر یا فشار فیزیکی واقعا دریافت شود، فعالیت بخش‌های مرتبط با پردازش آن محرک را آغاز می‌کند.

این نتیجه نشان می‌دهد که کولیکولوس فوقانی می‌تواند بر اساس نوع محرک مورد انتظار، فعالیت لایه‌های مختلف خود را از قبل تنظیم کند.

بیشتر بخوانید: هوش مصنوعی با خواندن امواج مغزی اشتباه خود را تشخیص می‌ دهد

هوش مصنوعی الگوهای پیش‌بینی مغز را تأیید کرد

پژوهشگران برای بررسی دقیق‌تر نتایج از فناوری یادگیری ماشین استفاده کردند. آنها با تحلیل الگوهای ثبت‌شده تلاش کردند مشخص کنند که آیا می‌توان بر اساس فعالیت مغزی، تجربه‌های بینایی و لمسی را از یکدیگر تشخیص داد.

نتایج نشان داد که الگوهای فعالیت هنگام انتظار برای دریافت محرک، شباهت زیادی به الگوهای مشاهده‌شده در زمان دریافت واقعی همان محرک دارند.

این یافته شواهد بیشتری ارائه کرد که نشان می‌دهد کولیکولوس فوقانی پیش از وقوع تجربه حسی، برای پردازش آن آماده می‌شود. بنابراین، فعالیت این ساختار صرفا واکنشی به اطلاعات ورودی نیست.

همچنین دانشمندان پاسخ‌های پیش‌بینانه مشابهی را در دو ناحیه پردازش اطلاعات حسی در تالاموس شناسایی کردند. تالاموس یکی از ساختارهای عمقی مغز است که در انتقال اطلاعات حسی به سایر بخش‌های مغز نقش دارد.

مشاهده این فعالیت‌ها نشان می‌دهد که پیش‌بینی محرک‌ها فقط در یک ناحیه رخ نمی‌دهد، بلکه احتمالا چندین ساختار زیر قشر مخ در این فرایند مشارکت می‌کنند.

پژوهشگران معتقد هستند که این بخش‌ها ممکن است شبکه‌ گسترده‌ای برای آماده‌سازی مغز در برابر اطلاعات ورودی تشکیل دهند. چنین شبکه‌ای می‌تواند پیش از دریافت محرک‌های محیطی، بخش‌های مختلف پردازش حسی را فعال کند.

این یافته با دیدگاه رایجی تفاوت دارد که پیش‌بینی را عمدتا عملکردی پیشرفته و وابسته به قشر مخ می‌داند.

بیشتر بخوانید: مغز انسان شاید یک اندام واحد نباشد

تغییر دیدگاه دانشمندان درباره عملکرد ساختارهای عمقی مغز

در علوم اعصاب، قشر مخ معمولا بخش اصلی مسئول پردازش‌های پیچیده و پیش‌بینی رویدادها شناخته می‌شود. این بخش در سطح بیرونی مغز قرار دارد و در فعالیت‌هایی مانند تفکر، تصمیم‌گیری و تحلیل اطلاعات مشارکت می‌کند.

با وجود این، نتایج مطالعه جدید نشان می‌دهد که ساختارهای زیرقشری نیز در پیش‌بینی تجربه‌های حسی نقش دارند. این ساختارها پیش‌تر به‌ عنوان مسیرهای انتقال اطلاعات به قشر مخ شناخته می‌شدند.

کشف فعالیت‌های پیش‌بینانه در کولیکولوس فوقانی و تالاموس نشان می‌دهد که آماده‌سازی برای دریافت اطلاعات می‌تواند از مراحل ابتدایی پردازش حسی آغاز شود.

پژوهشگران البته تأکید کردند که این مطالعه محدودیت‌هایی دارد. یکی از مهم‌ترین محدودیت‌ها، ثبت نشدن حرکات چشم شرکت‌کنندگان هنگام تصویربرداری مغزی بود. این موضوع می‌تواند بر تفسیر برخی فعالیت‌های مشاهده‌شده تأثیر بگذارد.

همچنین هنوز مشخص نیست که تمام الگوهای ثبت‌شده مستقیما به پیش‌بینی محرک‌های خاص مربوط بوده‌اند یا بخشی از آنها از انتظار عمومی شرکت‌کنندگان برای ادامه آزمایش ناشی شده است.

با وجود این ابهام‌ها، پژوهشگران معتقد هستند که یافته‌های مطالعه، شواهد مهمی درباره نقش ساختارهای زیرقشری در پردازش پیش‌بینانه ارائه می‌کنند.

آنها در جمع‌بندی پژوهش اعلام کردند که هسته‌های زیرقشری مغز، دریافت‌کنندگان منفعل اطلاعات حسی نیستند، بلکه علاوه بر واکنش به محرک‌های محیطی، ورود آنها را نیز پیش‌بینی می‌کنند.

این کشف نشان می‌دهد که توانایی پیش‌بینی تجربه‌های حسی در شبکه گسترده‌تری از مغز توزیع شده است و ساختارهای عمقی نیز در آماده‌سازی انسان برای مواجهه با محیط نقش دارند.