النموذج الرياضي يكشف أسرار الرؤية

ابتكر علماء الرياضيات وعلماء الأعصاب أول نموذج تشريحي دقيق يشرح كيف تعمل الرؤية

إن الغموض الكبير في الرؤية الإنسانية هو ذلك: إننا ندرك صورة غنية للعالم من حولنا ، على الرغم من حقيقة أن النظام البصري لعقلنا يتلقى معلومات قليلة للغاية حوله. معظم ما نراه هو في الواقع ما نتخيله في رؤوسنا.

وقال لاي سانج يونج ، عالم الرياضيات في جامعة نيويورك: "هناك الكثير مما تعتقد أنك تراه". "أنت حقًا لا تراهم".

ومع ذلك ، فإن الدماغ ، على ما يبدو ، يتكيف بشكل جيد مع مهمة اختراع العالم المرئي ، لأننا عادة لا نواجه الأبواب. لسوء الحظ ، فإن دراسة التشريح وحدها لا تظهر لنا بالضبط كيف يخلق الدماغ هذه الصور - لا شيء أكثر من مجرد إلقاء نظرة فاحصة على محرك السيارة سوف يسمح لك بالكشف عن قوانين الديناميكا الحرارية.

تشير دراسة جديدة إلى أن مفتاح الفهم يكمن في الرياضيات. خلال السنوات القليلة الماضية ، عمل يونغ في شراكات غير متوقعة مع زملائه في الجامعة روبرت شبلي ، عالم الأعصاب ، ولوغان تشاريكر ، عالم الرياضيات. لقد ابتكروا نموذجًا رياضيًا موحدًا يجمع بين نتائج سنوات عديدة من التجارب البيولوجية ، ويشرح كيف ينتج الدماغ نسخًا بصرية معقدة للعالم استنادًا إلى معلومات بصرية هزيلة.

وقال يونغ "إن مهمة المنظر ، كما أراها ، هي أن نأخذ حقائق مختلفة ونضعها في صورة ثابتة". "لن يخبرك المجربون كيف يعمل شيء ما."

بنى يونغ وزملاؤه نموذجًا ، بما في ذلك عنصر أساسي واحد من الرؤية في كل مرة. لقد أوضحوا كيفية تفاعل الخلايا العصبية في القشرة البصرية ، والتعرف على الأشياء وتغيير التباين ، ويعملون الآن على شرح كيفية إدراك الدماغ للاتجاه الذي تتحرك فيه الكائنات.

عملهم هو واحد من نوع ما. كانت المحاولات السابقة لنمذجة رؤية الإنسان تفكيرًا بالتمني ، واصفا بنية القشرة البصرية. يتعرف عمل يونغ وشابلي وشاريكر على البيولوجيا المعقدة وغير البديهية للقشرة البصرية ، ويحاول أن يشرح كيف لا تزال ظاهرة الرؤية قائمة.

أعتقد أن نموذجهم يحسن تلك النتائج التي تستند إلى تشريح الدماغ الحقيقي. وقال أليساندرا أنجيلوتشي ، عالم الأعصاب في جامعة يوتا: إنهم بحاجة إلى نموذج بيولوجي صحيح أو مقبول.

طبقة على طبقة

نحن على يقين من بعض القضايا المتعلقة الرؤية.

العين تعمل مثل العدسة. يستقبل الضوء من العالم الخارجي ويعرض نسخة صغيرة من مجال المشاهدة المرصود على شبكية العين الموجودة في الجزء الخلفي من العين. تتصل شبكية العين بالقشرة البصرية ، وهي جزء من الدماغ يقع في الجزء الخلفي من الرأس.

ومع ذلك ، فإن العلاقة بين شبكية العين والقشرة البصرية ضعيفة للغاية. تقع حوالي 10 خلايا عصبية تربط شبكية العين والقشرة البصرية على كل جزء من مجال الرؤية بحجم يبلغ حوالي ربع القمر الكامل في السماء. إنهم يشكلون الجسم الملتوي الجانبي ، LKT ، الطريقة الوحيدة التي تنتقل بها المعلومات المرئية من العالم الخارجي إلى المخ.

خلايا LKT ليست صغيرة فقط - فهي تكاد تكون غير قادرة على أي شيء. ترسل خلايا LKT دفعة إلى القشرة البصرية ، حيث تكتشف تغيرًا من الظلام إلى النور ، أو العكس ، في جزءها الصغير من الحقل المرئي. وهذا كل شيء. يقصف العالم ذو الإضاءة الخلفية شبكية العين بالبيانات ، لكن الدماغ لديه فقط بعض الإشارات البائسة للعمل من مجموعة صغيرة من خلايا LKT. تشبه محاولة رؤية العالم على أساس هذه المعلومات الضئيلة محاولة إعادة إنشاء Moby Dick على أساس رسومات الشعار المبتكرة على منديل.

وقال يونج: "يمكنك أن تتخيل أن الدماغ يأخذ صورة لما تراقبه في الأفق". "ومع ذلك ، فإن الدماغ لا يلتقط صوراً ، والشبكية يفعلها ، والمعلومات التي تنتقل من شبكية العين إلى القشرة البصرية شحيحة."

ثم تبدأ القشرة البصرية في العمل. على الرغم من أن عددًا قليلًا نسبيًا من الخلايا العصبية يربط القشرة والشبكية ، إلا أن القشرة نفسها عبارة عن مجموعة كثيفة من الخلايا العصبية. لكل 10 خلايا عصبية LCT قادمة من شبكية العين ، هناك 4000 خلية عصبية فقط في "طبقة الإدخال" الأولى من القشرة البصرية - وأكثر من ذلك في ما يلي. يشير هذا التناقض إلى أن الدماغ يعالج بنشاط كمية صغيرة من البيانات المرئية التي يتلقاها.

"إن القشرة البصرية لها عقلها الخاص" ، قال شبلي.

بالنسبة للباحثين مثل Young و Shapley و Chariker ، فإن التحدي يكمن في فك ما يحدث في هذا العقل.

حلقات العين

التشريح العصبي للرؤية استفزازي. تبدو كرجل صغير يرفع وزنًا كبيرًا ويتطلب شرحًا - كيف تمكنت من فعل الكثير باستخدام القليل جدًا؟

ليس كل من Young و Shapley و Chariker أول علماء يحاولون العثور على إجابة لهذا السؤال باستخدام نموذج رياضي. لكن جميع الحالات السابقة اقترحت أن يتم نقل المزيد من المعلومات بين شبكية العين والقشرة - مثل هذا الافتراض من شأنه أن يسهل محاولة لشرح رد فعل القشرة البصرية على التحفيز.

قال شبلي: "لم يأخذ الناس على محمل الجد ما تلاه علم الأحياء في إطار نموذج حسابي".

يتمتع علماء الرياضيات بتاريخ طويل من النجاح في نمذجة الظواهر المتغيرة ، من نقل كرات البلياردو إلى تطور الزمكان. هذه أمثلة على "الأنظمة الديناميكية" - تتطور بمرور الوقت وفقًا للقواعد الثابتة. إن تفاعلات الخلايا العصبية التي يتم تنشيطها في المخ هي أيضًا مثال على نظام ديناميكي - وإن كان رفيعًا جدًا ، ليس من السهل تعليق مجموعة معينة من القواعد عليه.

ترسل خلايا LKT إلى القشرة سلسلة من النبضات الكهربائية بجهد قدره 1/10 فولت ومدة 1 مللي ثانية ، مما يؤدي إلى سلسلة من التفاعلات العصبية. قال يونغ إن القواعد التي تحكم هذه التفاعلات "أكثر تعقيدًا بلا حدود" من القواعد التي تحكم الأنظمة المادية الأكثر دراية.


لاي سانغ يونج وروبرت شبلي

الخلايا العصبية الفردية تتلقى إشارات في وقت واحد من مئات الخلايا العصبية الأخرى. بعض هذه الإشارات تشجع تنشيط الخلايا العصبية. البعض الآخر ساحق. عند تلقي نبضات كهربائية من هذه الخلايا العصبية المثيرة والقمعية ، يلاحظ تقلب في الجهد على غشاء العصبونات المعنية. يتم تنشيطه فقط عندما يتجاوز هذا الجهد ("إمكانات الغشاء") عتبة معينة. ومن شبه المستحيل التنبؤ بموعد حدوث ذلك.

وقال يونغ: "إذا نظرت إلى الغشاء المحتمل لإحدى الخلايا العصبية ، فستقفز صعودًا وهبوطًا". "من المستحيل تمامًا التنبؤ بدقة عند تنشيطه."

علاوة على ذلك ، فإن الوضع الحقيقي أكثر تعقيدًا. تذكر هذه المئات من الخلايا العصبية مرتبطة بأحدنا؟ يستقبل كل منهم إشارات من مئات الخلايا العصبية الأخرى. القشرة المرئية هي مزيج من ردود الفعل المتفاعلة المتصلة بالتغذية المرتدة.

المشكلة في كل هذا هي أن لدينا الكثير من الأجزاء المتحركة. قال شبلي: "هذا يعقد الأمور".

في النماذج المبكرة للقشرة المرئية ، تم تجاهل هذه الميزة. كان من المفترض أن المعلومات تذهب في اتجاه واحد - من مقدمة العين إلى شبكية العين ، ثم إلى القشرة ، حتى النهاية - فويلا! - على الجانب الآخر ، لن تظهر صورة ، مثل الأداة التي تظهر على حزام النقل. كان إنشاء نماذج "الانتشار المباشر" أسهل ، لكنهم تجاهلوا آثار تشريح القشرة - مما يشير إلى أن حلقات التغذية الراجعة تلعب دورًا كبيرًا في ما يحدث.

وقال يونغ: "من الصعب للغاية العمل مع حلقات التعليق لأن المعلومات تعود وتتغير الحالة طوال الوقت ، وتعود وتؤثر عليك". "لا يوجد نموذج تقريبًا يتعامل مع هذا ، لكن هذا يحدث في جميع أنحاء الدماغ."

في أعمالهم الأصلية لعام 2016 ، قرر كل من Young و Shapley و Chariker محاولة أخذ حلقات التعليقات هذه على محمل الجد. أدت حلقات التغذية المرتدة الخاصة بنموذجها إلى ظهور شيء يشبه تأثير الفراشة: تم تضخيم التغييرات الصغيرة في إشارة LCT عندما مرت الإشارة عبر حلقة واحدة تلو الأخرى ، أثناء ما يسمى "الإثارة المتكررة" ، والتي أدت إلى تغييرات كبيرة في التمثيل البصري ، والتي تشكل النموذج في نهاية المطاف.

أظهر كل من Young و Shapley و Chariker أن نموذجهم ، الغني بالردود الفعلية ، كان قادرًا على إعادة إنتاج اتجاه وجوه الكائنات - الأفقية والرأسية وغيرها - استنادًا إلى تغييرات صغيرة في إشارات واردة ضعيفة من LCT.

وقال أنجلوتشي: "لقد أظهروا أنه يمكنك إنشاء جميع التوجهات في العالم المرئي باستخدام عدد صغير فقط من الخلايا العصبية المتصلة بالخلايا العصبية الأخرى".

لكن الرؤية أكثر بكثير من مجرد اكتشاف الوجه ، وكان عمل عام 2016 هو البداية فقط. كانت الصعوبة التالية هي تضمين عناصر إضافية للرؤية في النموذج دون أن تفقد العنصر الوحيد الذي تعاملت معه بالفعل.

وقال يونغ: "إذا كان النموذج يفعل شيئًا صحيحًا ، فيجب أن يكون قادرًا على القيام بعدة أشياء مختلفة". "لا يزال عقلك ثابتًا ، لكنه قادر على تغيير الأشياء في ظروف مختلفة".

سرب من الرؤى

في التجارب المعملية ، قدم الباحثون الرئيسات مع أبسط المحفزات البصرية - الأنماط السوداء والبيضاء التي تغير التباين أو الاتجاه الذي ظهرت فيه في مجال الرؤية. باستخدام أقطاب كهربائية متصلة بالقشرة البصرية للقرود ، قام الباحثون بتتبع نبضات الأعصاب التي تنشأ استجابةً للمنبهات. نموذج جيد ينبغي أن تتكاثر مثل هذه الدوافع استجابة لمحفزات مماثلة.

وقال يونغ: "نحن نعلم أنه إذا أظهرنا هذه الصورة الرئيسية ، فسوف يرد على هذا النحو". "استنادًا إلى هذه المعلومات ، نحاول تحليل ما يجري داخله".

في عام 2018 ، نشر ثلاثة باحثين عملًا ثانيًا أظهروا فيه أن النموذج نفسه القادر على التعرف على الوجوه يمكنه أيضًا إعادة إنتاج الصورة العامة لنشاط النبضات القشرية ، المعروفة باسم إيقاع جاما (يبدو كأنها سرب من اليراعات التي تضيء الفوانيس بالتسلسل).

الآن يدرس المتخصصون عملهم الثالث ، وهو ما يفسر كيف تتصور القشرة البصرية تغيرات في المقابل. يوضح التفسير الآلية التي تعزز بها الخلايا العصبية المثيرة نشاط بعضها البعض ، وهو ما يشبه نمو الإثارة الجماهيرية في الرقص. هذا النوع من العمليات ضروري حتى تتمكن القشرة البصرية من إنشاء صور كاملة بناءً على بيانات الإدخال النادرة.

حتى الآن ، يعمل Young و Shapley و Chariker على إضافة حساسية اتجاهية للنموذج - الذي سيوضح كيف يعيد القشرة المرئية إعادة إنشاء اتجاه حركة الكائنات على طول مجال الرؤية. بعد ذلك ، سيبدأون في شرح كيف يتعرف القشرة المرئية على تسلسل الوقت في المنبهات البصرية. على سبيل المثال ، يريدون أن يفهموا سبب إدراكنا لمضات إشارة المرور الوامضة ، ولكن في نفس الوقت لا نرى إطارات فردية عند مشاهدة فيلم.

بعد ذلك ، سيحصلون في أيديهم على نموذج بسيط للنشاط لا يحدث إلا في طبقة واحدة من الطبقات الست للقشرة البصرية - في طبقة يحدد فيها الدماغ تقريبًا الخطوط الأساسية للانطباع البصري. لا ينطبق عملهم على الطبقات الخمس الأخرى ، حيث تتم المعالجة البصرية الأكثر تعقيدًا. كما أنه لا يقول شيئًا عن كيفية التعرف على القشرة البصرية للألوان ، والتي تحدث في مسار عصبي مختلف تمامًا وأكثر تعقيدًا.

وقال أنجلوتشي: "أعتقد أنه لا يزال يتعين عليهم القيام بالكثير ، لكنني لا أنكر أنهم بذلوا قصارى جهدهم". "هذه مهمة صعبة وتستغرق بعض الوقت."

على الرغم من أن نماذجها لا تزال بعيدة عن كشف كل أسرار الرؤية ، إلا أنها خطوة في الاتجاه الصحيح - وهذا هو أول نموذج يحاول فك شفرة الرؤية بطريقة معقولة من الناحية البيولوجية.

وقال جوناثان فيكتور ، عالم الأعصاب بجامعة كورنيل: "كان الناس يصورون الأنشطة في هذا المجال لفترة طويلة جدًا". "حقيقة أن هؤلاء العلماء كانوا قادرين على إظهار ذلك بمثال نموذجهم المطابق لعلم الأحياء هو انتصار حقيقي".