Increased activity without changes in coupling between somata and apical dendrites during visual mismatches
تكشف هذه الدراسة، التي استخدمت التصوير ثنائي الفوتون مزدوج المستويات في القشرة البصرية للفئران، أنه بينما تؤدي الانعكاسات غير المتوقعة في الأفلام الطبيعية إلى زيادة النشاط في كل من الزوائد الشجيرية القمية والأجسام الخلوية للخلايا العصبية الهرمية، فإن حساسية عدم التطابق هذه غائبة بالنسبة لمحفزات "جابور" الاصطناعية ولا تتضمن تغيرات في الاقتران بين المكونات الشجيرية والجسدية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي لبحث مسبق لم يخضع لمراجعة الأقران. وهو ليس نصيحة طبية. لا تتخذ أي قرارات تتعلق بصحتك بناءً على هذا المحتوى. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
إن الدماغ ليس كاميرا سلبية تسجل العالم كما يظهر فحسب، بل هو متنبئ نشط، يولد باستمرار تخمينات حول ما سيحدث بعد ذلك بناءً على كل ما تعلمه من الماضي. عندما تمد يدك للإمساك بكوب قهوة، يكون دماغك قد توقع بالفعل وزنه وموقعه قبل أن تتحرك يدك حتى. هذه القدرة على مقارنة البيانات الحسية الواردة مقابل التوقعات الداخلية هي نظرية أساسية لكيفية عمل القشرة، وهي الطبقة الخارجية للدماغ. لطالما اشتبه العلماء في أنه عندما يفشل الواقع في مطابقة هذه التنبؤات، يولد الدماغ إشارة محددة للإشارة إلى الخطأ. ومع ذلك، كان إثبات كيفية حدوث ذلك بالضبط أمراً صعباً لأن الدماغ يعالج هذه الإشارات بطرق معقدة، غالباً ما تتضمن عمل أجزاء مختلفة من نفس الخلية العصبية معاً في نفس الوقت.
لفهم هذه العملية، ركز الباحثون على العصبون الهرمي، وهو نوع شائع من الخلايا الدماغية التي تشبه الهرم. تمتلك هذه الخلايا جسماً رئيسياً، يسمى "الجسم الخلوي" (soma)، والذي يعمل كمركز قيادة، وذراعاً طويلاً متفرعاً يسمى "الزوائد الشجرية القمية" (apical dendrite) يمتد بعيداً لاستقبال المعلومات. تشير بعض النظريات إلى أن الزائدة الشجرية تستقبل تنبؤات "من الأعلى إلى الأسفل" من أجزاء أخرى من الدماغ، بينما يستقبل الجسم الخلوي بيانات "من الأسفل إلى الأعلى" من الحواس. الفكرة هي أن الخلية تقارن بين هذين التدفقين من المعلومات للكشف عن عدم التطابق. إذا كان التنبؤ خاطئاً، فقد تطلق الخلية نبضات بشكل مختلف أو تغير طريقة تواصل أجزائها مع بعضها البعض. وكان السؤال الكبير هو ما إذا كانت هذه المقارنة تحدث داخل خلية واحدة، وإذا كان الأمر كذلك، ما إذا كان جسم الخلية وذراعها الطويل يتفاعلان بطريقة منسقة عند حدوث مفاجأة.
وضع فريق من الباحثين هدفاً لمراقبة هذه العملية في الوقت الفعلي باستخدام الفئران. أرادوا معرفة ما إذا كان بإمكانهم ضبط هذه الخلايا وهي تقوم بعملية اكتشاف المفاجأة، وتحديداً، ما إذا كانت المفاجأة ستجعل جسم الخلية وذراعها الطويل يضيئان معاً أو بشكل منفصل. وللقيام بذلك، استخدموا مجهراً متطوراً يمكنه النظر بعمق في أدمغة فئران مستيقظة ومتحركة. ركزوا على القشرة البصرية، وهي الجزء من الدماغي الذي يعالج ما تراه العيون. قاموا بتدريب الفئران على مشاهدة تسلسلات محددة من الصور حتى اعتادت عليها الحيوانات، مما علمها فعلياً ما يجب أن تتوقعه. ثم أدخل الباحثون تغييرات غير متوقعة على التسلسلات ليروا كيف يتفاعل الدماغ.
تضمنت التجربة نوعين مختلفين تماماً من المحفزات البصرية. أولاً، شاهدت الفئران مقاطع قصيرة من مشاهد طبيعية، مثل ديدان تتلوى في التربة أو فئران تركض في الخارج. تم تشغيل هذه المق clips للأمام حتى اعتادت عليها الفئران، ثم، وبشكل غير متوقع، تم تشغيل جزء من المقطع بشكل عكسي. هذا الانعكاس كسر التدفق الطبيعي للوقت والحركة، مما خلق مفاجأة حقيقية للحيوان. ثانياً، عُرضت على الفئران تسلسلات من أشكال اصطناعية بسيطة تسمى "رقع غابور" (Gabor patches)، وهي في الأساس أشرطة ضوئية ضبابية بزوايا محددة. تغيرت هذه الرقع في نمط يمكن التنبؤ به، ثم، وبشكل غير متوقع، دارت إحدى الرقع إلى زاوية مختلفة. استخدم الباحثون مجهراً ثنائي المستويات لتسجيل النشاط من الأجسام الخلوية وأطراف الزوائد الشجرية البعيدة لآلاف العصبونات في وقت واحد. سمح لهم ذلك برؤية ما إذا كان الجزءان من الخلية يتفاعلان بشكل متزامن عند حدوث مفاجأة.
كانت النتائج واضحة ومذهلة بالنسبة لمقاطع الأفلام الطبيعية. فعندما انعكس الفيديو فجأة، أطلقت العصبونات في القشرة البصرية نبضات بكثافة أكبر مما كانت عليه عندما يتم تشغيل نفس المقطع بترتيب عكسي كامل غير مفاجئ. كان هذا النشاط المتزايد علامة على أن الدماغ قد اكتشف عدم تطابق بين ما توقعه وما رآه. والأهم من ذلك، أن هذا التفاعل حدث في كل من الأجسام الخلوية والزوائد الشجرية القمية. أظهر الجزءان من الخلية نشاطاً متزايداً، لكن الباحثين لم يجدوا دليلاً على أن العلاقة أو "الاقتران" بينهما قد تغير أثناء المفاجأة. كان هذا النمط متسقاً عبر طبقات مختلفة من القشرة البصرية وعبر مناطق مختلفة من الدماغ. كما وجد الباحثون أن هذا التفاعل كان أقوى عندما واجهت الفئران الانعكاس لأول مرة، وتناقص تدريجياً مع تعرض الفئران للمفاجأة بشكل متكرر على مدار عدة أيام، مما يشير إلى أن الدماغ كان يتعلم دمج النمط الجديد في توقعاته.
ومع ذلك، تغيرت القصة تماماً عندما انتقل الباحثون إلى رقع "غابور" الاصطناعية. على الرغم من التصميم الدقيق للتجربة، لم تظهر الفئران نفس العلامات الواضحة للمفاجأة عند تغير اتجاه الأشكال البسيطة. لم تطلق العصبونات نبضات أكثر بشكل ملحوظ استجابة للزاوية غير المتطابقة مقارنة بتسلسلات التحكم. واستبعد الباحثون عدة تفسيرات بديلة، مثل مجرد تعب الخلايا من المشاهدة المتكررة أو تفاعلها مع جدة شكل جديد. أشارت البيانات إلى أن النظام البصري مهيأ بدقة لتدفق المشاهد الطبيعية المعقدة والمستمرة، ولكنه لا يعامل الأنماط الاصطاسية البسيطة بنفس الطريقة. يبدو أن الدماغ لديه توقعات متجذرة في إحصائيات العالم الطبيعي، ويجد صعوبة في توليد نفس إشارة الخطأ عندما تنتهك تلك التوقعات بواسطة أنماط تجريدية من صنع الإنسان.
ربما كان الاكتشاف الأكثر أهمية يتعلق بكيفية تواصل الأجزاء المختلفة من العصبون مع بعضها البعض. توقعت العديد من النظريات أنه عندما يحدث عدم تطابق، فإن الاتصال بين جسم الخلية والزائدة الشجرية سيتغير، ربما يصبح أقوى أو أضعف لتسهيل إشارة الخطأ. بحث الباحثون عن دليل على ذلك من خلال قياس مدى ترابط النشاط في الزائدة الشجرية مع النشاط في جسم الخلية. ووجدوا أنه لا يوجد دليل على أن هذا الاقتران قد تغير أثناء المفاجأة. ظل الجزءان من الخلية متصلين بنفس القدر أثناء عدم التطابق كما كانا أثناء التسلسل الطبيعي المتوقع، مما يعني أن الدماغ لم يعتمد على تحول مفاجئ في كيفية تواصل هذين القسمين للإشارة إلى خطأ ما. بدلاً من ذلك، أصبح الجزءان من الخلية أكثر نشاطاً بطريقة موحدة عندما اكتشفا انحرافاً عن العالم الطبيعي.
تقدم هذه النتائج منظوراً جديداً لكيفية معالجة الدماغ للعالم المرئي. فهي تؤكد أن القشرة البصرية حساسة للانحرافات عن الأنماط الطبيعية، وتولد إشارة قوية عندما ينقطع تدفق الواقع. ومع ذلك، فإنها تظهر أيضاً أن هذه الحساسية ليست استجابة عالمية لجميع المفاجآت؛ بل هي محددة بالمدخلات المعقدة والديناميكية التي تطور الدماغ للتعامل معها. علاوة على ذلك، تتحدى هذه الدراسة الفكرة القائلة بأن آلية اكتشاف الخطأ في الدماغ تعتمد على إعادة تشكيل دراماتيكية لكيفية تفاعل أجزاء العصبون الواحد. بدلاً من ذلك، يبدو أن الدماغ يستخدم شكلاً أكثر توزيعاً واستقراراً من التواصل، حيث تستيقظ الخلية بأكملها ببساطة للإشارة إلى أن شيئاً ما في العالم الطبيعي قد سار بشكل خاطئ. يساعد هذا العمل في توضيح الآلية البيولوجية وراء التنبؤ، مبيناً أن أدمغتنا مضبوطة بدقة على إيقاع الطبيعة، ولكن ربما بدرجة أقل تجاه الأنماط الجامدة للتصميم الاصطناعي.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.