دوامة الغزل: الرياضيات والهلوسة

عند محاولة تخيل الهلوسة الناجمة عن المواد المخدرة ، تتبادر إلى الذهن أشكال مخدرة حلزونية دوامة تشبه على الفور رؤية النفق . لكن مثل هذه الهياكل الهندسية يمكن أن تسبب ليس فقط العقاقير المهلوسة مثل LSD أو القنب أو المسكالين . تحدث الناس عن ظهور مثل هذه الرؤى في الوقت الذي كانوا فيه عند الموت ، خلال ظروف مؤلمة مثل الصرع والفصام ، نتيجة للحرمان الحسي ، أو حتى بعد الضغط البسيط على مقل العيون. مثل هذه الهلوسة الهندسية منتشرة على نطاق واسع لدرجة أنه على مدار القرن الماضي ، بدأ العلماء يتساءلون عما إذا كان بإمكانهم إخبارنا بشيء أساسي حول بنية دماغنا. ويبدو أنها كذلك.


إنشاء ثوابت النموذج على الكمبيوتر. تحاكي الصورتان العلويتان القمع واللولب الذي يحدث بعد تلقي LSD. الجزء السفلي الأيسر هو قرص العسل الذي تم إنشاؤه بواسطة الماريجوانا. الجزء السفلي الأيمن هو الويب.

بدأ التحقيق في الهلوسة الهندسية المنهجية لأول مرة في عشرينيات القرن الماضي من قبل طبيب نفساني أمريكي ألماني ، هاينريش كلوفر . قاده اهتمام Kluver في الإدراك البصري في نهاية المطاف إلى تجربة peyote ، وهو صبار ، يحتفل به كارلوس كاستانيدا ، الذي لعب مكونه النفسي ، mescaline ، دورًا مهمًا في الطقوس الشامانية للعديد من قبائل أمريكا الوسطى. ميسكالين معروف بأنه يسبب الهلوسة البصرية الحية. باستخدام البيوت في المختبر مع مساعد ، لاحظ كلوفر تكرار الأشكال الهندسية في الهلوسة التي تسببها الميسكالين ، وقسمها إلى أربعة أنواع ، واصفا إياها بالثوابت : الأنفاق والمسارات ، اللوالب ، المشابك ، والتي تشمل أقراص العسل والمثلثات ، وشبكة العنكبوت.

في سبعينات القرن الماضي ، استخدم علماء الرياضيات جاك كوان وبارد إيرمينتراوت تصنيف كلوفر لخلق نظرية تصف ما يحدث في الدماغ عندما يجعلنا نعتقد أننا نرى أنماطًا هندسية. تم تطوير نظريتهم من قبل علماء آخرين ، بما في ذلك بول بريسلوف ، أستاذ علم الأعصاب الرياضي والحسابي في مركز أكسفورد للرياضيات التطبيقية التعاونية الذي تم إنشاؤه مؤخرًا.

أين الشرائط من القشرة الدماغية *



القشرة البصرية. المنطقة الحمراء المميزة V1

[ * إشارة إلى خرافة الفيتنامية "من أين يأتي النمر من الشريط" / تقريبا. perev. ]

المنطقة الأولى من القشرة البصرية للدماغ التي تعالج الصور في البشر والثدييات هي المنطقة المعروفة باسم V1. تشير الأدلة التجريبية ، مثل صور الرنين المغناطيسي الوظيفي ، إلى أن أنماط Kluver تأتي أيضًا في الغالب من V1 ، ولا تظهر لاحقًا في مكان ما في النظام البصري. مثل بقية الدماغ ، يمتلك V1 بنية معقدة ومتجعدة ومطوية - ومع ذلك ، هناك طريقة مباشرة ومدهشة لترجمة ما نراه في مجال رؤيتنا إلى نشاط الخلايا العصبية في V1. يقول بريسلوف: "تخيل أننا ننشر الإصدار الأول". - يمكن تخيله على أنه نسيج عصبي بسمك عدة مليمترات ، مع طبقات مختلفة من الخلايا العصبية. في التقريب الأول ، تتصرف الخلايا العصبية في جميع أنحاء عمق القشرة بطريقة مشابهة ، لذلك إذا قمت بتسويتها ، يمكنك تخيل V1 كورقة ثنائية الأبعاد. "

يتم عرض كائن أو مشهد من العالم البصري في شكل صورة ثنائية الأبعاد على شبكية كل عين ، لذلك يمكن اعتبار ما نراه أيضًا ورقة مسطحة: مجال الرؤية. يمكن تعيين كل نقطة في هذه الورقة بواسطة إحداثيتين ، مثل نقطة على الخريطة ، أو نقطة على نموذج مسطح V1. تحدث المناطق المضيئة والداكنة المتناوبة التي تشكل الهلوسة الهندسية بسبب المناطق المتناوبة للنشاط العالي والمنخفض للخلايا العصبية في V1 - المناطق التي يتم فيها تنشيط الخلايا العصبية بسرعة كبيرة ، والمناطق التي يكون فيها العكس صحيحًا.

من أجل ترجمة الأنماط المرئية إلى نشاط الخلايا العصبية ، من الضروري وجود شبكة إحداثيات - قاعدة يتم بموجبها ربط كل نقطة في مجال الرؤية بنقطة من نموذج المستوى V1. في السبعينيات ، صنع العلماء ، بما في ذلك كوين ، مثل هذه الشبكة بناءً على معرفة تشريح تفاعل الخلايا العصبية الشبكية مع الخلايا العصبية في V1. لكل جزء خفيف أو مظلم من مجال الرؤية ، تحدد الخريطة جزءًا من النشاط العصبي العالي أو المنخفض في V1.

كيف يقوم هذا التصوير لشبكية العين والقشرة بتحويل الأنماط الهندسية لكلوفر؟ اتضح أن الهلوسة ، التي تسبب اللوالب والدوائر والأشعة المنبعثة من المركز ، تتوافق مع شرائط نشاط الخلايا العصبية في V1 التي تمر في زوايا معينة. تتوافق المشابك مثل أقراص العسل أو الخلايا مع الأنماط السداسية للنشاط في V1. قد لا يكون هذا في حد ذاته مثيرًا للاهتمام ، ولكن هناك سابقة واحدة: كانت الخطوط والسداسيات التي لاحظها العلماء عند نمذجة أمثلة أخرى لتكوين الأنماط ، على سبيل المثال ، الحمل الحراري للسوائل ، أو ، بشكل أكثر إثارة للدهشة ، ظهور البقع والخطوط على جلود الحيوانات. كانت الرياضيات التي تحكم تشكيل هذه الأنماط معروفة جيدًا ، واقترحت أيضًا آلية لنمذجة عمل القشرة البصرية.

من مجال الرؤية إلى القشرة البصرية


تخيل مجال الرؤية في شكل ورقة مسطحة بإحداثيات قطبية: يتم تحديد كل نقطة P برقمين (r ، θ) ، حيث r هي المسافة إلى الأصل ، و θ هي الزاوية بين المقطع OP والمحور x. تقابل النقطة المرجعية مركز مجال الرؤية. تم تصميم V1 أيضًا على شكل ورقة مسطحة ، ولكن هذه المرة تحتوي على إحداثيات ديكارتية (س ، ص). إن عرض الإحداثيات الدقيق لمجال الرؤية ونموذج المستوى V1 معقد للغاية بالنسبة لهذه المقالة ، ولكن بالنسبة للنقاط البعيدة بما فيه الكفاية عن مركز مجال العرض (أي بالنسبة إلى r كبير بما فيه الكفاية) فإنه يشبه خريطة لوغاريتمية:

x= lnry= theta


تترجم الخرائط دائرة نصف قطرها r في مجال الرؤية إلى مقطع رأسي مستقيم مع x = ln r ، وشعاع قادم من أصل الإحداثيات O بزاوية θ إلى مقطع أفقي مستقيم مع y = θ



أين بقعة النمر


يعود النموذج الأول لتشكيل أنماط جلد الحيوانات إلى آلان تورينج ، المعروف باسم والد علوم الكمبيوتر الحديثة والمتسلل من Bletchley Park الذي قام بتكسير الرموز. كان تورينج مهتمًا بكيفية قيام مثل هذا النظام المتجانس مكانيًا مثل كرة موحدة من الخلايا ، وهو جنين الحيوان ، بإنشاء أنماط مكانية غير متجانسة ، ولكن أنماط ثابتة ، مثل خطوط حمار وحشي.

اقترح تورينج أن هذه الأنماط تظهر نتيجة لعملية نشر التفاعل . تخيل جنين حيواني يعيش فيه مركبان كيميائيان. واحد منهم هو المانع الذي يمنع إنتاج كل من نفسها وكيميائية أخرى. والآخر محفز يسبب إنتاج كلتا المادتين.

في اللحظة الأولى من نموذج تورينج ، تتوازن مادتان كيميائيتان بشكل مثالي - وهما في حالة توازن ، ولا يتغير تركيزها في نقاط مختلفة على الجنين مع مرور الوقت. تخيل الآن أنه لسبب ما ، في مرحلة ما ، زاد تركيز المحفز قليلاً. هذا الاضطراب الطفيف يدفع النظام بأكمله إلى الحركة. زيادة التركيز المحلي للمحفز يعني إنتاج المزيد من المحفزات والمثبطات هناك. ومع ذلك ، ينتشر كلا المركبين أيضًا على جلد الجنين ، مما يثبط ويحفز إنتاجهما في أماكن أخرى.

على سبيل المثال ، إذا كان المانع منتشر بشكل أسرع من المحفز ، فإنه سيحيط بسرعة بنقطة الاضطراب ويقلل تركيز المحفز فيه. ونتيجة لذلك ، نحصل على قسم يحتوي على تركيز عالٍ من المحفز ، محاطًا بتركيز عالٍ من المانع - وبعبارة أخرى ، بقعة محفز على خلفية المانع. اعتمادًا على معدل انتشار المركبين ، من الممكن أن يظهر هذا النمط المرقط في جميع أنحاء جلد الجنين ، ويستقر في النهاية.

كتب ثورنج نظامًا من المعادلات التفاضلية يصف المنافسة بين المركبين - يمكنك السماح لهم بالتطور في الوقت المناسب ومعرفة ما إذا كانت الأنماط تظهر. تعتمد هذه المعادلات على المعلمات التي تصف معدل الانتشار لمركبين: إذا حددتها بشكل صحيح ، فإن النظام يستقر في النهاية ، مما يشكل نمطًا معينًا يمكن تغييره عن طريق تغيير المعلمات. يوفر الرابط برنامجًا صغيرًا بلغة جافا ، يمكنك من خلاله التعامل مع المعلمات وإلقاء نظرة على الأنماط الناتجة.

معادلات الأنماط الحيوانية


من أجل البساطة ، تخيل جنينًا على شكل خط أحادي البعد. في أي وقت t وفي أي نقطة x من الجنين ، يتم تحديد تركيز المحفز (المنشط) والمثبط (المانع) من خلال الدالات A (x، t) و I (x، t). تتغير بمرور الوقت وفقًا للقواعد التالية:

 frac جزئيA جزئيt=f(A،I)+ frac جزئي2A جزئيx2 frac جزئيI جزئيt=g(A،I)+d frac جزئي2I جزئيx2


يصف المصطلح الأول على يمين كل معادلة كمية إنتاج المحفز والمثبط. وهي وظائف لتركيزات المحفز والمثبط ، لأن كلاهما يؤثر على معدل التفاعل.

المصطلح الثاني على يمين كل معادلة هو المشتق الثاني ، الذي يصف معدل تغير تدرج المحفز والمثبط. لقد حددوا معدل الانتشار.

المصطلح الإضافي د على الجانب الأيمن من المعادلة الثانية هو معامل الانتشار ، والذي يوضح مدى انتشار المانع بشكل أسرع من المحفز. أظهر تورينج أن التفوق في سرعة المانع هو عامل مهم لتوليد البقع.

أنماط الدماغ


نشاط الخلايا العصبية في الدماغ ليس عملية نشر رد فعل ، ومع ذلك ، فإن لديه تشابهات مع نموذج تورينج. يقول بريسلوف: "ترسل الخلايا العصبية إشارات إلى بعضها البعض عبر قنوات إخراج البيانات تسمى المحاور". تتفاعل الخلايا العصبية مع إشارات بعضها البعض ، وهنا رد الفعل. "تنتقل الإشارات بسرعة كبيرة مقارنةً بعملية الزخرفة بحيث يمكن الخلط بينها وبين التفاعلات الفورية". لذلك ، بدلاً من الانتشار ، وهي عملية محلية ، لدينا تفاعل فوري عن بعد. يتم لعب أدوار المحفز والمثبط بواسطة فئتين مختلفتين من الخلايا العصبية. يقول بريسلوف: "هناك خلايا عصبية مثيرة - تزيد من احتمالية نشاط الخلايا العصبية الأخرى - وهناك عصبونات مثبطة تقلل من هذا الاحتمال". "إن التنافس بين فئتي الخلايا العصبية مماثل لآلية مثبط المحفز في نموذج تورينج".


الأنماط المخططة والسداسية والمستطيلة للنشاط العصبي في V1 الناتجة عن نموذج رياضي

مستوحاة من تشابهات عمليات تورينج ، أنشأ Cowan و Ermentraut نموذجًا للنشاط العصبي في V1 باستخدام مجموعة من المعادلات التي صاغها Cowan و Hugh Wilson. على الرغم من أن المعادلات تبين أنها أكثر تعقيدًا من معادلات تورينج ، إلا أنه لا يزال بإمكانك لعب اللعبة نفسها ، مما يسمح للنظام بالتطور بمرور الوقت ومعرفة ما إذا كانت أنماط النشاط العصبي تتطور. يقول بريسلوف: "يمكنك أن تجد أنه في ظل ظروف معينة ، إذا قمت بزيادة المعلمة ، والتي تمثل ، على سبيل المثال ، تأثير الأدوية على القشرة الدماغية ، فإن هذا سيؤدي إلى نمو الأنماط الدورية".

يقترح نموذج Cowan و Ermentraut أن الهلوسة الهندسية تنجم عن عدم الاستقرار في V1: شيء ، على سبيل المثال ، وجود الدواء ، يزيل الشبكة العصبية من حالة متوازنة ، ويبدأ عملية نمو كرة الثلج المتزايدة للتفاعل بين الخلايا العصبية المثيرة والمثبطة ، والتي تستقر بعد ذلك في شكل أنماط مخططة أو سداسية من النشاط العصبي في V1. ثم "نلاحظ" هذا النمط في شكل هياكل هندسية وصفها كلوفر في مجال الرؤية.

التماثلات في الدماغ


في الواقع ، كل شيء ليس بهذه البساطة كما في نموذج Cowan و Ermentraut ، لأن الخلايا العصبية لا تستجيب فقط للصور الفاتحة والداكنة. بالسمك V1 ، تصطف الخلايا العصبية في أعمدة تعرف باسم الأعمدة المفرطة ، كل منها يستجيب تقريبًا لجزء صغير من المجال البصري. لكن ليست جميع الخلايا العصبية في العمود المفرط متشابهة: بالإضافة إلى التعرف على المناطق المضيئة والمظلمة ، يتخصص كل خلية عصبية في التعرف على الوجوه المحلية - خطوط تفصل بين الضوء والظلام في جزء واحد من الصورة - اتجاه معين. يتعرف البعض على الوجوه الأفقية ، والبعض الآخر - الرأسي ، والبعض الآخر - الوجوه الموجودة بزاوية 45 درجة ، وهكذا. يحتوي كل عمود مفرط على أعمدة من الخلايا العصبية من جميع الاتجاهات المفضلة ؛ وبالتالي ، يمكن أن يستجيب العمود الزائد لوجوه جميع الاتجاهات في منطقة معينة من المجال البصري. إن تركيبة الأعمدة المفرطة وتفضيلات التوجيه هي التي تسمح لنا بالتعرف على الخطوط والأسطح والقوام للعالم المرئي.


الاتصالات في V1: الخلايا العصبية في فرط الأعمدة تتفاعل مع معظم الخلايا العصبية الأخرى. لكنها تتفاعل مع الخلايا العصبية في أعمدة فرط الأعمدة الأخرى فقط إذا كانت الأعمدة موجودة في اتجاه اتجاهها ، وكان للخلايا العصبية نفس التفضيل التوجيهي.

في السنوات الأخيرة ، تم جمع الكثير من الأدلة التشريحية حول كيفية تفاعل الخلايا العصبية مع بعضها البعض مع تفضيلات توجهية مختلفة. داخل العمود الجغرافي ، تتفاعل الخلايا العصبية مع معظم الخلايا العصبية الأخرى ، بغض النظر عن تفضيلاتها. ولكن ، فيما يتعلق بالخلايا العصبية لأعمدة مفرطة الارتفاع ، فإنها تعمل بشكل أكثر انتقائية ، وتتفاعل فقط مع الخلايا العصبية ذات التفضيلات المماثلة ، حتى تضمن لنا القدرة على التعرف على الخطوط المستمرة في العالم البصري.

قام Breslov ، مع Cowen ، عالم الرياضيات Martin Golubitsky وعلماء آخرين ، بتعميم النموذج الأصلي لـ Cowen و Ermentraut لمراعاة هذه الأدلة التشريحية الجديدة. استخدموا مرة أخرى المستوى كأساس لنموذج V1: يتم تمثيل كل عمود مفرط على المستوى بنقطة (س ، ص) ، وكل نقطة (س ، ص) تقابل عمود مفرط. الخلايا العصبية مع تفضيل معين للتوجيه θ (حيث θ هي الزاوية بين 0 و π يشار إليها بموضع العمود الزائد (س ، ص) مع الزاوية θ - أي ، يتم الإشارة إليها بثلاث وحدات من المعلومات ، (س ، ص ، θ). لذلك ، في هذا نماذج V1 ليست طائرة ، ولكنها طائرة بمجموعة كاملة من الاتجاهات لكل نقطة.


إذا تفاعل عنصران ، (x ، y ، θ) و (s ، t ، θ) ، فإن العناصر الأخرى التي لها نفس الاتجاه تتفاعل عند النقاط (x + a ، y + b) و (s + a ، t + b ) ، والعناصر ذات الاتجاه -θ عند النقاط (x ، -y) و (s ، -t).

للامتثال للدليل التشريحي ، اقترح Breslov وزملاؤه أن العصبون المشار إليه بالنقطة (x 0 ، y 0 ، θ 0 ) يتفاعل مع جميع الخلايا العصبية الأخرى في نفس العمود المفرط (x 0 ، y 0 ). لكنه يتفاعل مع الخلايا العصبية من أعمدة فرط الألوان الأخرى فقط إذا كانت تكمن في اتجاهه المفضل θ 0 : على المستوى ، تحتاج إلى رسم خط من خلال النقطة (x 0 ، y 0 ) بزاوية θ 0 . ثم تتفاعل الخلايا العصبية المشار إليها بالنقطة (x 0 ، y 0 ، θ 0 ) فقط مع الخلايا العصبية لأعمدة فرط الأعمدة الموضوعة على نفس الخط ، أي أن لها نفس الاتجاه المفضل θ 0 .

مخطط التفاعل هذا متماثل للغاية. على سبيل المثال ، لا يتغير عندما يتغير المستوى في أي اتجاه بأي مسافة: إذا تفاعل عنصران ، (x 0 ، y 0 ، θ 0 ) و (s 0 ، t 0 ، φ 0 ) ، ثم العناصر التي تم الحصول عليها بواسطة التحول ، (x 0 + a ، y 0 + b ، θ 0 ) و (s 0 + a ، t 0 + b ، φ 0 ) لبعض a و b ، تتفاعل بنفس الطريقة. وفقًا للمبدأ نفسه ، يكون المخطط ثابتًا فيما يتعلق بدورات وانعكاسات الطائرة.


هلوسة شعرية تم إنشاؤها بواسطة نموذج رياضي. يشبه بشدة الهلوسة التي تحدث عند تناول الماريجوانا.

استخدم Breslov وزملاؤه نسخة معممة من المعادلات من النموذج الأصلي للسماح للنظام بالنمو. والنتيجة هي نموذج ليس فقط أكثر دقة من حيث تشريح V1 ، ولكنه أيضًا قادر على توليد أنماط هندسية في مجال الرؤية التي لم يكن النموذج الأصلي قادرًا عليها. وهذا يشمل أنفاق شعرية ، وأقراص العسل وخيوط العنكبوت ، ويميز اتجاهها ملامحها بشكل أفضل من مناطق التباين الفاتحة والداكنة.

علاوة على ذلك ، فإن النموذج حساس لتماثلات مخططات التفاعل العصبي: أظهر علماء الرياضيات أن هذه التماثلات هي التي تولد تشكيل أنماط دورية للنشاط العصبي. لذلك ، يفترض النموذج أن الهلوسة تؤدي إلى ترتيب أعمدة مفرطة وتفضيلات التوجه ، أي الآليات التي تساعدنا على التعرف على الوجوه والخطوط والأسطح والقوام في العالم المرئي. عندما تفقد هذه الآليات الاستقرار ، على سبيل المثال ، نتيجة التعرض للدواء ، تظهر أنماط النشاط التي تتحول إلى هلاوس بصرية.

ما وراء الهلوسة


لا يسمح نموذج Breslov للمرء فقط بالحصول على نظرة ثاقبة للآليات التي تولد الهلوسة البصرية ، ولكنه يعطي أيضًا أدلة حول بنية الدماغ بمعنى أوسع. بالاشتراك مع زوجته ، عالمة الأعصاب التجريبية ، درس بريسلوف ملامح اتصالات العمود المفرط مع الرؤية الطبيعية من أجل فهم كيفية معالجة الصور المرئية. "اعتاد الناس على الاعتقاد بأن الخلايا العصبية في V1 تحدد ببساطة الوجوه المحلية ، وأن المرء يحتاج إلى الذهاب إلى مستويات أعلى من الدماغ لجمع هذه الوجوه والتعرف على أشياء أكثر تعقيدًا مثل الخطوط والأسطح. ولكن من خلال عملنا مع زوجتي ، من الواضح أن هذه الهياكل في V1 تسمح في الواقع للقشرة البصرية بالتعرف على الخطوط في مرحلة مبكرة وإجراء المزيد من المعالجة العالمية. كان يُعتقد أننا نعالج جوانب أكثر وأكثر تعقيدًا للصورة ، ترتفع أعلى في التسلسل الهرمي للدماغ. الآن أصبح من الواضح أن هناك ردود فعل نشطة بين الجزء العلوي والسفلي من القشرة."هذه ليست عملية هرمية بسيطة ، ولكنها نظام معقد ونشط بشكل لا يصدق ، والذي سيستغرق سنوات عديدة لفهمه."

من بين التطبيقات العملية لهذا العمل رؤية الكمبيوتر - يقوم علماء الكمبيوتر بالفعل ببناء هياكل ذات اتصالات داخلية لعبها Breslov وزملاؤه لبناء نماذج لتعليم أجهزة الكمبيوتر كيفية تحديد الخطوط والأنسجة. إذا أظهرت القليل من الخيال ، يمكنك أن تتخيل أن هذه الدراسة ستتمكن يومًا ما من المساعدة في استعادة الرؤية للأشخاص ذوي الإعاقة. يقول بريسلوف: "السؤال هو ما إذا كان من الممكن تحفيز جزء من القشرة البصرية بطريقة ما ، وتجاوز العين ، واستخدام هذا لتوجيه المكفوفين". "إذا فهمت كيف يتم بناء القشرة وكيف تتفاعل مع التحفيز ، فربما يكون من الممكن اختراع أفضل طريقة لتحفيزها الصحيح."

حتى أن هناك مجالات تطبيق لا ترتبط بالمخ على الإطلاق. طبق Breslov الأفكار التي تم الحصول عليها من خلال عمله على المواقف الأخرى التي توجد فيها الأشياء في مساحة ذات اتجاه معين ، على سبيل المثال ، الخلايا الليفية من الأنسجة البشرية والحيوانية. وأوضح أنه في ظل ظروف معينة ، يمكن لهذه الخلايا والجزيئات المتفاعلة أن تصطف وتنتج أنماطًا مماثلة لتلك التي تظهر في V1.

تحدث الناس عن رؤية الهلوسة من بداية الوقت ، وفي جميع الثقافات تقريبًا - يمكن العثور على صور الهلوسة في النقوش الصخريةولوحات الكهف. في تقاليد الشامان في جميع أنحاء العالم يتم التعامل معهم كرسائل من عالم الأرواح. قليل من علماء الأعصاب الحديثين سيوافقون على مشاركة الأرواح في هذا ، لكن كرسل للعالم المخفي - هذه المرة ، العالم المخفي لدماغنا - لم تفقد هذه الهلوسة إمكاناتها.

Source: https://habr.com/ru/post/ar426603/


All Articles