Proposing an Artificial Neural Networks-based Model to Simulate Human Visual Cortex

تخيل دماغك كأنه حاسوب فائق التطور، لكن بدلاً من الرقائق السيليكونية والأسلاك، هو مبني من مليارات الخلايا الحية الصغيرة التي تسمى الخلايا العصبية. هذه الخلايا العصبية تشبه الرسل الصغار الذين يتواصلون مع بعضهم البعض باستخدام الشرارات الكهربائية والإشارات الكيميائية. لفترة طويلة، حاول العلماء بناء حواسيب اصطناعية تفكر مثلنا، باستخدام "الشبكات العصبية الاصطناعية". فكر في هذه الشبكات كنسخ رقمية من توصيلات أدمغتنا. عادةً، نستخدم هذه النسخ الرقمية للقيام بأشياء رائعة مثل التعرف على الوجوه في الصور أو مساعدة السيارات ذاتية القيادة على رؤية الطريق. لكن هذا البحث يطرح سؤالاً مختلفاً وأكثر فضولاً: ماذا لو قلبنا السيناريو؟ بدلاً من مجرد استخدام الحاسوب لأداء مهمة ما، ماذا لو استخدمنا الحاسوب لفهم أنفسنا؟ وتحديداً، كيف يرى دماغنا العالم فعلياً، وكيف يتذكره، وكيف يشعر أحياناً بالارتباك والضغط بسببه؟ من خلال بناء نموذج رقمي للمركز البصري في الدماغ، يأمل العلماء في إلقاء نظرة خلف الستار على الإدراك البشري، وفهم سبب تذكرنا للأشياء بالطريقة التي نفعلها، ولماذا تجعل بعض الحالات، مثل الشقيقة (الصداع النصفي)، العالم يبدو ساطعاً بشكل مؤلم.

---

الدماغ الرقمي: قصة الرؤية، والتذكر، والشقيقة

في هذه الدراسة، يقترح باحث يدعى سينا سعادتي طريقة لبناء "توأم رقمي" للقشرة البصرية البشرية — وهو الجزء من دماغك الذي يحول الضوء الساقط على عينيك إلى الصور التي تراها. الهدف ليس مجرد صنع كاميرا أفضل؛ بل هو محاكاة كيفية "شعور" الدماغ و"تذكره" لما يراه. تشير الورقة البحثية إلى أنه باستخدام أنواع معينة من الشبكات الحاسوبية، يمكننا إعادة إنشاء كيفية معالجة أدمغتنا للصور، وكيف تتعطل أثناء نوبة الشقيقة، وكيف يمكن لأغنية أن تعيد ذكرى كاملة إلى الحياة فجأة.

الجزء الأول: كاميرا الدماغ وحيلة "الصورة اللاحقة"

أولاً، تبني الورقة نموذجاً باستخدام ما يسمى بـ الشبكة العصبية الالتفافية (CNN). يمكنك التفكير في الـ CNN كفريق من المحققين الصغار المتخصصين الذين يعملون في طبقات. الطبقة الأولى تنظر إلى الأشياء البسيطة مثل الحواف والألوان (مثل البكسل). الطبقة التالية تنظر إلى تلك الحواف وتقول: "مهلاً، هذا يبدو كمنحنى!". الطبقة التي تليها قد تقول: "هذا المنحنى جزء من وجه!". هكذا يبني دماغنا صورة من الصراخ، طبقة تلو الأخرى.

استخدم الباحثون هذا الفريق الرقمي لمحاكاة كيفية تخزيننا للذكريات. وجدوا أن النموذج عندما "يحدق" في صورة لفترة من الوقت (والذي يعني في لغة الحاسوب التدرب عليها)، فإنه يغير إعداداته الداخلية. إذا عرضت عليه بعد ذلك صورة جديدة تماماً، فإن الذاكرة القديمة لا تزال تتسرب للخارج. الأمر يشبه التحديق في ضوء ساطع ثم إغلاق عينيك؛ لا تزال ترى شكل الضوء للحظة. تشير المحاكاة إلى أن أدمغتنا تعمل بنفس الطريقة: التحديق في شيء ما يغير البنية الفيزيائية لخلايا دماغنا (وفي النموذج، يتم تمثيل ذلك بتغيير "الأوزان" أو أهمية الروابط)، وهذا هو السبب في أننا نستطيع استحضار الصور حتى عندما لا تكون موجودة. كما تشير الورقة إلى أنه إذا حدقت في شيء جديد لفترة كافية، فإن الذاكرة القديمة تتلاشى ويحل محلها الجديد، تماماً كما تتغير أمزجتنا وذكرياتنا بمرور الوقت.

الجزء الثاني: عندما ينطلق إنذار الدماغ (الشقيقة)

بعد ذلك، تسأل الورقة: ماذا يحدث عندما لا يعمل الدماغ بشكل طبيعي؟ قرر الباحثون محاكاة نوبة شقيقة. في الحياة الواقعية، غالباً ما يعاني المصابون بالشقيقة من رهاب الضوء (Photophobia)، وهو حساسية مفرطة للضوء. يمكن لمصباح صغير أو شاشة هاتف أن تبدو كأنها كشاف ضوئي يعمي الأبصار.

لمحاكاة ذلك، قام الباحثون بتعديل دماغهم الرقمي. قاموا بزيادة "حساسية" الخلايا العصبية، وهو ما يعني في النموذج الحاسوبي رفع "مستوى الصوت" للروابط بين الخلايا. في الدماغ الحقيقي، يحدث هذا بسبب مادة كيميائية تسمى "غلوتامات" يتم إفرازها بكميات أكبر، مما يجعل الخلايا العصبية تشتعل بسهولة شديدة.

كانت النتيجة مذهلة. عندما كان النموذج في "الحالة الطبيعية"، كانت الغرفة المظلمة مع شاشة لابتوب صغيرة تبدو مظلمة. ولكن عندما تم ضبط النموذج على "وضع الشقيقة"، أضاءت تلك الشاشة الصغيرة الدماغ الرقمي بأكمله كما لو كانت شمس الظهيرة. أظهرت المحاكاة أنه حتى الإشارة الضعيفة يتم تضخيمها لتصبح ومضة مؤلمة ومربكة. يقترح المؤلف أن هذا النموذج موثوق لأنه يطابق التقارير الواقعية من الناس الذين يعانون من الشقيقة، الذين يقولون إن حتى انعكاس الضوء على الجدار يمكن أن يشعرهم وكأنه يخدش أعينهم. تساعد هذه التجربة الرقمية في شرح لما سبب حدوث الألم: نظام الإنذار في الدماغ قد تم رفعه عالياً جداً.

الجزء الثالث: قوة الأغنية (الذاكرة السمعية البصرية)

أخيراً، تستكشف الورقة كيف نمزج الحواس المختلفة لتذكر الأشياء. هل سبق لك أن سمعت أغنية وتذكرت فجأة أين كنت بالضبط، ومع من كنت، وكيف كان شكل الغرفة؟ أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكانهم محاكاة ذلك.

أضافوا نظاماً ثانياً لنموذجهم يسمى شبكة هوبفيلد (Hopfield Network). فكر في هذا كـ "التخزين طويل المدى" للدماغ أو كشبكة ضخمة حيث كل شيء متصل بكل شيء آخر. في هذه الشبكة، ترتبط الذاكرة البصرية (صورة) والذاكرة السمعية (أغنية) معاً.

سارت التجربة كالتالي:

1. "شاهد" النموذج مشهداً (مثل وجه أو شجرة) بينما "سمع" تسلسلاً معيناً من النغمات الموسيقية.
2. قام بتخزين هذه التجربة المشتركة في شبكة هوبفيلد.
3. ثم، قام الباحثون بحذف الصورة من الذاكرة وأعطوا النموذج الموسيقى فقط.
4. النتيجة: نجح النموذج في "إعادة بناء" الصورة بمجرد سماع الموسيقى!

في 37 تجربة مختلفة، تمكن النموذج من استعادة التفاصيل البصرية بدقة مذهلة. في المتوسط، أصاب النموذج بنسبة 98.35% من الصورة. على سبيل المثال، إذا سمع النموذج الموسيقى المرتبطة بصورة شخص يرتدي نظارات شمسية، فقد استطاع "رسم" النظارات مرة أخرى بمجرد اللحن. تشير الورقة إلى أن هذا يثبت أن أدمغتنا لا تخزن المشاهد والأصوات بشكل منفصل؛ بل تنسجها معاً في نسيج واحد غني من الذاكرة.

ماذا يعني كل هذا؟

لا تدعي هذه الأبحاث أنها بنت دماغًا بشريًا حقيقيًا أو حلت لغز الوعي. بدلاً من ذلك، تقترح أنه باستخدام هذه النماذج الحاسوبية المحددة، يمكننا إنشاء طريقة موثوقة لمحاكاة كيفية عمل القشرة البصرية لدينا. وهي توضح أن:

• الذاكرة عملية فيزيائية: التحديق في شيء ما يغير بنية الدماغ، وهذا هو سبب تذكرنا له.
• الشقيقة هي مسألة تضخيم: الألم يأتي من زيادة حساسية الخلايا العصبية، مما يحول الأضواء الصغيرة إلى ومضات تعمي الأبصار.
• الحواس مرتبطة: يمكن للأغنية أن تحفز ذاكرة بصرية لأن الدماغ يخزنها كحزمة واحدة متصلة.

يؤكد المؤلف بحذر أنه رغم مطابقة هذه المحاكاة للتقارير الواقعية والمبادئ النفسية، إلا أنها لا تزال مجرد نماذج. إنها أداة قوية لفهم الدماغ، لكنها مجرد خريطة وليست الإقليم نفسه. قد تحتاج الأعمال المستقبلية إلى إضافة المزيد من التفاصيل، مثل كيفية ملاءمة إشارات اللمس أو الألم في هذه الصورة، أو كيف يمكن للهرمونات أن تغير طريقة معالجة الدماغ لهذه الإشارات. ولكن في الوقت الحالي، تأخذنا هذه الرحلة الرقمية داخل القشرة البصرية إلى صورة أوضح وأكثر حيوية لكيفية رؤيتنا وتذكرنا وشعورنا بالعالم من حولنا.