النسبية غير المتوقعة لنظام تحديد المواقع المدمج في الدماغ

كيف تغير البيانات الجديدة فهمنا للخلايا العصبية الموضعية

بدأت التفاصيل الأولى لـ "دماغ GPS المدمج" في الظهور في السبعينيات. في مختبرات كلية لندن الجامعية ، قام جون أوكيف وطالبه جوناثان دوستروفسكي بتسجيل النشاط الكهربائي للخلايا العصبية في الحصين لجرذان تتحرك بحرية. وجدوا مجموعة من الخلايا العصبية التي تنشط فقط عندما ظهر الجرذ في مكان معين [ 1 ]. أطلقوا على هذه الخلايا " وضع الخلايا العصبية ".

بناءً على هذه الاكتشافات المبكرة ، اقترح أوكيفي وزميله لين نادل أن الحصين يحتوي على تمثيل ثابت للفضاء مستقل عن المزاج أو الرغبات. أطلقوا عليها " الخريطة المعرفية " [ 2 ]. من وجهة نظرهم ، تمثل جميع الخلايا العصبية للمكان في الدماغ البيئة الكاملة للحيوان ، ويشير تنشيط خلية معينة إلى موقعها الحالي. بعبارة أخرى ، يعمل الحصين مثل GPS. يخبرك بمكان وجودك على الخريطة ، وهذه الخريطة لا تتغير ، ولا يهم ما إذا كنت جائعًا وتبحث عن الطعام ، أو تريد النوم وتبحث عن سرير. اقترح أوكيفي ونادل أن الموقع المطلق ، الذي يتم تخزين فكرته في الخلايا العصبية في المكان ، يوفر منصة ذهنية يمكن للحيوان استخدامها للتنقل في أي موقف - للبحث عن الطعام أو أماكن الراحة.



على مدى الأربعين عامًا التالية ، دعم الباحثون الآخرون - بما في ذلك الزوجان إدوارد وماي بريت بريت موزر - فكرة أن دوائر الحصين تعمل كنظام GPS مدمج [ 3 ]. لعملهم الرائد ، حصل أوكيفي وموزر على جائزة نوبل 2014 في علم وظائف الأعضاء أو الطب. يمكن أن يتقرر أن دور الحُصين في توجيه الحيوانات في الفضاء قد انكشف.

لكن دراسة الدماغ لا تسير بشكل مباشر أبدًا. أشعلت جائزة نوبل عام 2014 ، مثل مباراة أشعلت النار في الفتيل ، انفجارًا في التجارب والأفكار ، اعترض بعضها على تفسير أوكيف ونادل المبكر. اقترح عمل جديد أنه في حالة الملاحة المكانية ، لا يمثل محيط الحُصين معلومات الموقع المطلقة ، ولكنه نسبي وقابل للتعديل تحت تأثير التجربة. يبدو أن استكشاف الحصين قد تعثر في نقاش فلسفي قديم.

لقرون ، كافح الفيزيائيون حول مسألة ما إذا كان الفضاء مطلقًا أو نسبيًا ، قبل أن يميل إلى جانب النسبية. ولكن في السنوات الأخيرة فقط ، عند دراسة الدماغ ، بدأوا في طرح أسئلة مماثلة. لسنوات عديدة ، كان الفضاء المطلق مسؤولاً عن علم الأحياء العصبية. على سبيل المثال ، يُفترض منذ فترة طويلة أن النظام البصري لديه قناتان لتدفق المعلومات. [ 4 ] الأولى هي قناة "ماذا" ، التي تنقل معلومات حول هوية الشيء الذي لاحظه الحيوان. والثاني هو قناة "أين" ، التي تحتوي على معلومات حول الموقع المطلق للكائن. كان يعتقد أن قناة "ماذا" لا تحتوي على أي معلومات موضعية. ومع ذلك ، أظهر عمل حديث أنه على الرغم من أن هذه القناة لا تحتوي على معلومات حول الموقع المطلق للكائن ، إلا أنها تحتوي على معلومات حول الموقع النسبي. [ 5 ، 6 ] من المحتمل أن تكون هذه المعلومات حول الموقع النسبي مهمة جدًا للتعرف على الكائنات.

مثل هذه الاكتشافات بمثابة نقطة ارتكاز لفكرة أن المعلومات النسبية مهمة للدماغ. تم تعزيز وجهة النظر هذه من خلال التوليف الذي بدأ مؤخرًا لبيولوجيا الأعصاب مع علوم الكمبيوتر والذكاء الاصطناعي. أظهر العمل عند تقاطع هذه التخصصات أن الدماغ باستخدام نموذج عالمي مطلق وغير متغير للحياة في بيئة دائمة التغير يتطلب موارد حوسبية أكثر من الدماغ باستخدام المعلومات النسبية. فهم أين ومتى يستخدم الدماغ المعلومات المطلقة وأين يمكن أن تلقي المعلومات النسبية الضوء على العمل ومرونة وسرعة أنظمته الفرعية وسلوكنا. على وجه الخصوص ، قد يكون الحصين أحد المراحل الأولى في هذا التحقيق.

جاء اعتراض رئيسي على تفسير التمثيل المطلق للموقع من أوكيفي ونادل من عمل العام الماضي برعاية كيمبرلي ستاتشينفيلد وماثيو بوتفينيك وصموئيل غيرشمان. [ 7 ] اقترح هؤلاء الباحثون ، المرتبطون بـ Google DeepMind ، وجامعة برينستون ، وكلية لندن الجامعية ، وجامعة هارفارد ، أن الحصين ليس الموقع المطلق للحيوان ، ولكن من المرجح أن يذهب الحيوان في المستقبل القريب. يأخذ هذا الرأي في الاعتبار الحركات المفضلة والعادات المستفادة. من وجهة النظر هذه ، فإن الحصين خريطة تنبؤية وليست خريطة مطلقة.

أظهرت الدراسات السابقة أن نشاط الخلايا العصبية في مكان ما يتناقص باستمرار عندما يتحرك حيوان بعيدًا عن مركز مكان يثير اهتمامه. قرر أوكيف ونادل أن هذه علامة على أن الخلايا العصبية للموقع تمثل الموقع الحالي للحيوان. ولكن في إطار المنصة التي اقترحتها Stachenfeld وزملاؤها ، يُقترح اعتبار درجة نشاط الخلايا العصبية عرضًا يوضح مدى احتمالية أن يكون الحيوان في مركز المكان محل الاهتمام في اللحظة التالية. إذا كان موجودًا بالفعل في المركز ، فإن احتمال وجوده في اللحظة التالية مرتفع جدًا ، وبالتالي فإن نشاط الخلايا مرتفع أيضًا. إذا كان بعيدًا جدًا عن المركز بحيث لا يمكنه العودة إلى هناك في اللحظة التالية ، فإن الخلايا العصبية في المكان تكون غير نشطة.

قد تبدو نظريات أوكيف وستاتشينفيلد متشابهة ، ويبدو أن كلاهما يفسر الخصائص الأساسية لنشاط الخلايا العصبية في مكان ما. ومع ذلك ، فإنهم يضعون افتراضات مختلفة حول طبيعة الخريطة المكانية في الحصين ، ولن تساعد سوى التجارب والاختبارات العبقرية في النماذج الحسابية على فصل أحدهما عن الآخر. حقق كل من Stachenfeld و Botvinnik و Gershman ذلك من خلال إعادة تحليل البيانات من الأعمال المنشورة سابقًا ، وتوصل إلى أن بعضها يمكن أن يشرح نموذج عمل الحصين ، ولكن ليس النماذج التقليدية. وأبرز هذه الأمثلة بيانات من دراسة أجرتها إليس ألفيرن وزملاؤها من مرسيليا ، فرنسا. [ 8 ] استخدم هؤلاء الباحثون "متاهة فروع تولمان" ، حيث كان على الفئران الركض على طول المسار الوحيد من البداية إلى النهاية. في بعض الحالات ، تم إغلاق المسار ، مما أجبر الحيوان على تجاوز العائق على طول أحد الممرين على شكل C.

وفقًا لتفسير نشاط الخلايا العصبية وفقًا لـ O'Keefe مع الخريطة المعرفية ، يجب تنشيط العصبون الذي كان نشطًا عندما كان الفئران عند مفترق الطرق بين المسار المباشر والممر الجانبي بالتساوي ، بغض النظر عما إذا كان هذا المسار مسدودًا أم لا. ولكن في التجربة لوحظت صورة مختلفة. تصرفت هذه الخلية بشكل مختلف ، اعتمادًا على وجود مسار مسدود. تأثرت درجة نشاط الخلايا العصبية بتجربة الفئران السابقة. لا يجب أن تعمل البطاقة المطلقة بهذه الطريقة. علاوة على ذلك ، أجرى ستاتشينفيلد وزملاؤه محاكاة حاسوبية لإظهار أن نشاط الخلايا العصبية في الموقع التي لاحظها ألفيرنت وزملاؤه في تجربتهم تزامنت مع فرضيتهم للخريطة التنبؤية أفضل بكثير من فرضية أوكيفي للخريطة المعرفية.

كانت حجة ستاتشينفيلد ضد تفسير أوكيفي نادل أن الخلايا العصبية في الموقع لا تشفر موقعًا مطلقًا ، ولكن فقط الموقع بالنسبة لتاريخ الحركات والخبرة والتفضيلات السلوكية. بعد بضعة أشهر فقط ، أظهرت مجموعة أخرى من الدراسات أن موقع الحيوانات الأخرى من نفس النوع يؤثر أيضًا على نشاط الخلايا العصبية في الموقع. [ 9 ، 10 ، 11 ] في الأعمال التي نُشرت هذا العام ، قام نيكام أولانوفسكي من معهد وايزمان في إسرائيل وشيجيوشي فوجيساوا من معهد ريكن لأبحاث الدماغ في اليابان بتدريب الحيوانات على التحرك حول منطقة معينة من خلال إظهار عمليات الركض التي تؤدي أفرادًا آخرين من نوعها. . في الوقت نفسه ، استخدم أولانوفسكي الخفافيش ، واستخدم فوجيساوا الفئران. عندما اتبعت الحيوانات المسار المحدد ، تم تنشيط الخلايا العصبية في مكانها بشكل متوقع. ولكن كان من المفاجئ أن مجموعة فرعية من الخلايا العصبية في الموقع تم تنشيطها أيضًا عندما شاهدت الحيوانات سباقات أفراد آخرين. وقد أطلق الباحثون على هذه الخلايا العصبية "الخلايا العصبية الاجتماعية".

تتباعد النتائج مرة أخرى عن التفسير الأولي لتنشيط الخلايا العصبية للمكان ، وربطها بالموقع المطلق في الفضاء. لا يختلف تمثيل مكان في الحصين فقط عن المطلق - يبدو أن مراقبة الآخرين يمكن أن تؤثر عليه.

كان نشاط الخلايا العصبية في الموقع أكثر تعقيدًا بكثير مما كان يعتقد سابقًا. لم تكن النظرة الكلاسيكية لدور محيطات الحصين في الملاحة المكانية ، التي منحت جائزة نوبل ، وصفاً كاملاً لما يحدث ، وأداء الحصين وظائف أكثر بكثير من التمثيل الثابت البسيط لموقع الموضوع في الفضاء.

يمكن لفكرة إمكانية التنبؤ بالخلايا العصبية في المكان وتأثير التعلم عليها وسلوك الحيوانات الأخرى أن تسهل بناء مفهوم يمكن أن يصف دور الحصين في التوجه المكاني والدور المقبول بشكل عام في التعلم وتكوين الذاكرة. منذ اكتشاف أن إزالة الحصين يمكن أن تؤدي إلى عدم القدرة على تكوين ذكريات جديدة ، فقد تمت دراستها باعتبارها واحدة من أهم مناطق الدماغ المسؤولة عن الذاكرة. [ 12 ] وعلى الرغم من أنه كان معروفًا من التجارب الأولى لأوكيفي وداستروفسكي أن الحصين يلعب دورًا رئيسيًا في الملاحة المكانية ، فكيف ولماذا هذه القطعة الصغيرة من الدماغ قادرة على تخزين الخرائط المكانية والذكريات المعقدة ظلت غير مفهومة بشكل جيد . إن الفهم الناشئ لنسبيّة خرائطنا المكانية وتأثير الذاكرة والسلوك عليها يجعل من السهل فهم الوظيفة المزدوجة للحُصين. بعد مرور خمسين عامًا على الملاحظات الأولى لأوكيفي وداستروفسكي ، بدأنا نفهم بشكل أوضح كيف تشكل هذه المنطقة الرئيسية من الدماغ شخصياتنا.