تبدو قدرة الدماغ على التكيف في بعض الأحيان لا نهاية لها. لكن ملاحظات الدماغ في عملية التعلم تشير إلى أن شبكاته العصبية يمكن أن تكون غير مرنة وغير فعالة بشكل مدهش.
السمة الرئيسية للذكاء هي القدرة على التعلم. كما أظهرت عقود من الأبحاث ، يُظهر دماغنا "مرونة" كبيرة نوعًا ما ، أي قدرة الخلايا العصبية على تغيير الروابط استجابة للمنبهات الخارجية. لكن الباحثين في جامعة كارنيجي ميلون وجامعة بيتسبرغ اكتشفوا مؤخرًا قيودًا غير متوقعة على قدراتنا التعليمية. قد يكون الدماغ مرنًا وقادرًا على التكيف ، ولكن ، على الأقل لفترات قصيرة من الزمن ، يتعلم من خلال التكرار غير الفعال للحيل في مخزونه العصبي ، بدلاً من إنشاء شبكة من الاتصالات من الصفر.
يقول بايرون يو ، مهندس الطب الحيوي وعالم الأعصاب في جامعة كارنيجي مالون ، وأحد قادة الدراسة: "عندما ألعب
الاسكواش ، أبدو كلاعب تنس". لعب يو التنس لسنوات عديدة. لديه مشاكل في لعب الاسكواش لأنه يستخدم مضارب أقصر ويجعل طلقات أسرع وأكثر صعوبة - على عكس تلك المستخدمة في ملعب التنس. ومع ذلك ، عند لعب الاسكواش ، ينزلق إلى أسلوب استخدام المضارب ، والذي اعتاد عليه تجربة طويلة في لعب التنس. الدماغ ليس من السهل أن يتخلى عما يعرفه بالفعل.
أثناء مشاهدة الدماغ أثناء التدريب ، وجد يو وزملاؤه أدلة على نقص مماثل في اللدونة على مستوى الخلايا العصبية. يمكن أن يساعد هذا الاكتشاف والبحوث ذات الصلة في تفسير سبب صعوبة تعلم بعض الأشياء أكثر من غيرها.
قبل بضع سنوات ، بدأ يو
وآرون باتيستا من جامعة بيتسبرغ وأعضاء مختبراتهم في استخدام واجهات الدماغ والحاسوب (IMCs) كأدوات لتحقيق الاكتشافات في علم الأعصاب. تحتوي هذه الأجهزة على شريحة بحجم مسمار يمكنها تتبع النشاط الكهربائي للأصوات الحجرية على الفور في قشرة المحرك التي تتحكم في الحركات. من خلال تتبع تسلسل مسامير الجهد التي تمر عبر الخلايا العصبية الفردية ، فإن IMC قادر على حساب "سرعة المسامير" التي تميز سلوك كل خلية عصبية خلال مهمة معينة.
قال ي. "يمكنك أن تتخيل الصعوبات المرتبطة بحفر هذه البيانات في كومة في محاولة لتحديد ما يفعله الدماغ. أعيننا ليست مدربة للغاية على ملاحظة الأنماط المخفية في مثل هذه البيانات." لكن التحليل الإحصائي المتقدم الذي يمكن للرقاقة فعله يمكن أن يفعل ذلك ، ويمكن استخدام هذه الأنماط لتحديد النشاط العصبي المرتبط بنوايا الشخص للقيام بحركات معينة. على سبيل المثال ، النظام قادر على التمييز بين نوايا موضوع الاختبار للوصول إلى اليسار أو اليمين أو لأعلى أو لأسفل.
يمكن للباحثين بعد ذلك استخدام مخرجات IMC لترجمة النشاط العصبي المرتبط بحركات معينة إلى أوامر للمؤشر على شاشة الكمبيوتر. من خلال التجربة والخطأ ، يتم تدريب الأشخاص أو الحيوانات على استخدام مثل هذه الواجهة ، وتخيل كيفية تحريك اليد ، على سبيل المثال ، إلى اليسار ، وتحريك المؤشر في نفس الاتجاه.
عندما تعقب يو وباتيستا وزملاؤهم قشرة محرك القرد ، التي قامت بحركات يد بسيطة مرارًا وتكرارًا ، وجدوا أن الخلايا العصبية لم يتم تنشيطها بشكل مستقل. يمكن وصف سلوك المئات من الخلايا العصبية المقاسة إحصائيًا من خلال سلوك 10 من الخلايا العصبية التي تنشط أو تقمع عمل جيرانها بطرق مختلفة. في التحليل ، تم عرض هذه النتيجة كمجموعة من النقاط التي ملأت كمية صغيرة جدًا في مساحة بيانات 100 الأبعاد.
قال
ستيفن تشيس ، أستاذ الهندسة الطبية الحيوية بجامعة كارنيجي مالون: "أطلقنا على هذا المجلد مشعبًا جوهريًا لأننا نعتقد أن هذه الميزة هي في الواقع مميزة للدماغ". "إن أبعاد هذا الفضاء يتنبأ بدقة بقدرة الخلايا العصبية".
في عام 2014 ،
وجد الباحثون أنه من الأسهل على الأشخاص تعلم مهام جديدة إذا تم تضمين مجموعات من الخلايا العصبية التي تنتمي إلى مجموعة مميزة ، وليس تلك التي تقع خارجها ، في هذه العملية. وفقًا لـ Yu ، فإن هذا أمر منطقي ، نظرًا لأن المهام التي تقع في مجموعة مميزة تقدم طلبات إلى الدماغ تتوافق مع الهيكل العصبي الأساسي. عند الانتهاء من الدراسة ، تحولت المجموعة إلى سؤال حول كيفية تغير النشاط العصبي أثناء التدريب - وهذا موضح في
عمل نُشر مؤخرًا في مجلة Nature Neuroscience.
لفهم ما يحدث في الدماغ ، قدم الباحثون أولاً الرئيسيات المجهزة بـ IMC للراحة مع تحريك المؤشر يمينًا ويسارًا. ثم قام الفريق بتغيير متطلبات أي نوع من النشاط العصبي ضروري لتحريك المؤشر ، وبدأ في ملاحظة أنماط النشاط العصبي الجديدة ، التي تتوافق مع المجموعة الجديدة من نقاط المجموعة المميزة ، التي ستستخدمها الحيوانات.
توقع الباحثون رؤية دليل على استراتيجية تعلم تسمى "إعادة الهيكلة" ، حيث يبدأ الحيوان في استخدام بعض أنماط الخلايا العصبية العاملة التي تناسب هذه المهمة بشكل طبيعي. قال
ماثيو جولوب ، وهو ما بعد الدكتوراه الذي شارك في هذا المشروع مع يو وتشيس ويعمل الآن في جامعة ستانفورد: "البيريسترويكا هي أفضل استراتيجية يمكن للحيوانات التي تخضع لقيود مجموعة مميزة من الخلايا العصبية استخدامها". أو يمكن أن يبدأ دماغ القرد التعلم من خلال "إعادة الحفظ" ، وهي عملية تزيد فيها الخلايا العصبية المشاركة في مهمة التعلم الأولية أو تقلل من عدد الانفجارات حتى تتعثر في نوع من سير العمل.
ولكن ، لمفاجأة الباحثين المدهشة ، لم يحدث البيروسترويكا ولا إعادة التقييم. وبدلاً من ذلك ، لاحظ الباحثون عملية غير فعالة للغاية "لإعادة الاندماج". تم تدريب الأشخاص على مهمة جديدة ، ببساطة باستخدام تسلسلات الأعصاب الموجودة ، وتغيير الغرض منها. بدأت التسلسلات التي حركت المؤشر من قبل إلى اليسار لتحريكه إلى اليمين ، والعكس صحيح. قال جولوب: "إنهم يعملون في إعادة الاستخدام" ، في ظل ظروف جديدة فقط.
لماذا يجب أن يستخدم الدماغ استراتيجية تعلم أقل فعالية؟ تُظهر نتائج اكتشافات المجموعة أنه مثلما يقتصر عمل البنية العصبية بالكامل على نشاط مجموعة مميزة ، فإن عمل الخلايا العصبية من هذه المجموعة له قيود على إعادة تنظيم نشاطها. يقترح باتيستا أن التغييرات في الروابط المشبكية بين الخلايا العصبية التي يجب إجراؤها لإعادة الهيكلة ستكون معقدة للغاية بحيث لا تجعلها سريعة بما فيه الكفاية. وقال "اللدونة في المدى القصير قد تكون محدودة أكثر مما توقعنا". - التعلم يعني النسيان. يرفض الدماغ على مضض المهارات المكتسبة التي يعرف بالفعل كيفية التعامل معها ".
قارن تشيس قشرة المحرك بلوحة مفاتيح هاتفية قديمة ، حيث تقوم التوصيلات العصبية ، مثل الكابلات ، بتوصيل مدخلات أقسام القشرة بمخرجات المخيخ. كما قال ، خلال التجارب "يغير الدماغ فقط مخطط توصيل الكابلات" - على الرغم من أن الفروق الدقيقة في هذه العملية لا تزال غير واضحة.
قال يو: "تتضمن استراتيجية التغيير السريع تغيير اتصالات المدخلات للقشرة" ، لكنه أشار أيضًا إلى أن نشاط الدماغ تم رصده في تجاربهم لمدة ساعة إلى ساعتين. لا يستطيع الباحثون بعد استبعاد احتمال أن تكون إعادة الارتباط خطوة وسيطة في تعليم الدماغ مهام جديدة ؛ على مدى فترة زمنية أطول ، قد يستمر إعادة البناء أو إعادة البناء.
إذا كان الأمر كذلك ، فقد يفسر هذا الاختلاف في كيفية معالجة المعلومات الجديدة المتعلقة بالمصالح المشتركة من قبل القادمين الجدد والخبراء. قال باتيستا: "على المبتدئين العمل مع ما لديهم ، ويشارك الخبراء في تعزيز المعرفة". "قد يكون هذا هو الأساس العصبي لهذه الظاهرة المعروفة."