کشف نحوه استفاده مغز از الگوهای تصادفی برای مکان‌یابی – تک ناک

مطالعه جدیدی نشان داده است که سلول‌های مکانی در مغز، که وظیفه هدایت و مسیریابی را بر عهده دارند، برای ایجاد نقشه‌های داخلی از محیط‌های اطراف به جای استفاده از نظم دقیق، از الگوهای تصادفی بهره می‌گیرند.

به گزارش تکناک،این تحقیق که توسط محققان دانشگاه اورشلیم انجام شده، باورهای قدیمی در مورد کدگذاری فضایی در هیپوکامپ را به چالش کشیده است.

نیشال مینالی، یکی از نویسندگان این مطالعه، توضیح می‌دهد: یافته‌های ما نشان می‌دهند که الگوهای تصادفی، نه طراحی خاص، سازمان‌دهی سیناپسی ورودی‌ها به نورون‌هایی به نام CA1 در هیپوکامپ را هدایت می‌کند.

سلول‌های مکانی که در هیپوکامپ یافت می‌شوند، با فعالیت در الگوهای خاص، مکان‌های مختلف در محیط زندگی یک حیوان (و انسان‌ها) را نمایندگی می‌کنند. قبلاً دانشمندان معتقد بودند این نورون‌ها به‌طور منظم و قابل پیش‌بینی فعالیت می‌کنند و نقشه‌های فضایی منظم و دقیقی ایجاد می‌کنند. اما تحقیقات اخیر نشان داده‌اند که در فضاهای بزرگ‌تر یا پیچیده‌تر، این سلول‌ها الگوهای فعالیت بی‌نظم و نامنظمی دارند و در مکان‌های مختلف به صورت غیرقابل پیش‌بینی فعال می‌شوند.

پرفسور یورام بوراک (سرپرست تیم تحقیقات) و تیمش یک مدل ریاضی برای توضیح این پدیده توسعه دادند. مدل آنها بر پایه فرایندهای گوسی (Gaussian Processes) استوار است که مجموعه‌ای از توابع تصادفی است که در زمینه‌های مختلفی مانند کیهان‌شناسی و اقیانوس‌شناسی استفاده می‌شوند.

طبق این مدل، الگوهای فعالیت سلول‌های مکانی زمانی ایجاد می‌شوند که سیگنال‌های گوسی تصادفی از یک آستانه مشخص عبور کنند و فعالیت‌هایی ایجاد کنند که مکان‌های فضایی را نقشه‌برداری می‌کنند.

این نظریه پیشنهاد می‌کند که به جای تکیه بر یک سیستم منظم و دقیق، هیپوکامپ از الکوهای تصادفی برای کدگذاری مکان‌ها به‌طور کارآمد استفاده می‌کند و خود را با محیط‌های متنوع سازگار می‌سازد.

محققان برای آزمایش مدل خود، داده‌های قبلی از فعالیت سلول‌های مکانی در آزمایش‌های انجام شده روی خفاش‌ها و موش‌ها را بررسی کردند. این حیوانات در محیط‌های مختلف حرکت می‌کردند و نتایج نشان داد که سلول‌های مکانی در این حیوانات الگوهای تصادفی پیش‌بینی‌شده را در فضاهای یک‌بعدی، دو‌بعدی و سه‌بعدی دنبال می‌کنند.

پرفسور بوراک اشاره کرد که این الگوی تصادفی نقشی حیاتی دارد و گفت: الگوهای تصادفی فعالیت سلول‌های مکانی در محیط‌های بزرگ مانند کلمات رمزی هستند که هر کدام برای یک موقعیت خاص در آن مکان کاربرد دارند. ما فکر می‌کنیم مغز این کلمات رمزی تصادفی رو به‌گونه‌ای انتخاب می‌کند تا بتواند نقشه‌ای ساده و کاربردی از آن محیط بزرگ را در ذهن ایجاد کنه. این کار کمک می‌کند که جاندران بدون سختی موقعیت خود را در یک محیط شناسایی کنند.

این کشف، نحوه تفکر دانشمندان در مورد مسیریابی فضایی و عملکرد مغز را به‌طور گسترده تغییر می‌دهد. به نظر می‌رسد که هیپوکامپ به جای تکیه بر یک مدار دقیق سیم‌کشی‌شده، از الگوهای تصادفی برای شناساندن محیط و هدایت جانداران استفاده می‌کند.

این مطالعه علاوه بر مسیریابی، راه‌های جدیدی برای درک نحوه کدگذاری و پردازش اطلاعات پیچیده در مغز باز می‌کند. اگر استفاده از الگوهای تصادفی در سایر انواع کدگذاری عصبی نیز نقش داشته باشد، می‌تواند دیدگاه‌های تازه‌ای در مورد حافظه، یادگیری و حتی سیستم‌های هوش مصنوعی که بر اساس مغز جاندران شبیه‌سازی می‌شوند، فراهم کند.