تقوم الخلايا العصبية بترميز المعلومات بشكل غير متوقع في توقيت إطلاقها

تقوم الخلايا العصبية بترميز المعلومات بشكل غير متوقع في توقيت إطلاقها

ايهاب محمد زايد-مصر

لعقود من الزمان ، عامل علماء الأعصاب الدماغ إلى حد ما مثل عداد جيجر: معدل إطلاق الخلايا العصبية يؤخذ كمقياس للنشاط ، تمامًا كما يشير معدل نقر عداد جيجر إلى قوة الإشعاع. لكن بحثًا جديدًا يشير إلى أن الدماغ قد يكون أشبه بآلة موسيقية. عندما تعزف على البيانو ، فإن عدد المرات التي تضغط فيها على المفاتيح مهم ، لكن التوقيت الدقيق للنغمات ضروري أيضًا للنغمة.

قال جوشوا جاكوبس ، عالم الأعصاب ومهندس الطب الحيوي في جامعة كولومبيا ، الذي قدم دليلًا جديدًا على هذا الادعاء الشهر الماضي في الخلية: “من المهم حقًا ليس فقط عدد [عمليات تنشيط الخلايا العصبية] التي تحدث ، ولكن متى تحدث بالضبط”.

لأول مرة ، قام جاكوبس واثنان من المؤلفين المشاركين بالتجسس على الخلايا العصبية في الدماغ البشري لتشفير المعلومات المكانية من خلال توقيت إطلاقها بدلاً من معدلها. تم توثيق ظاهرة إطلاق النار الزمني هذه بشكل جيد في مناطق معينة من دماغ الفئران ، لكن الدراسة الجديدة ودراسات أخرى تشير إلى أنها قد تكون أكثر انتشارًا في أدمغة الثدييات. قال جاكوبس: “كلما بحثنا عنها ، كلما رأيناها أكثر”.

يعتقد بعض الباحثين أن هذا الاكتشاف قد يساعد في حل لغز كبير: كيف يمكن للعقول أن تتعلم بهذه السرعة.

هذه الظاهرة تسمى المرحلة الأولية. إنها علاقة بين الإيقاع المستمر لموجة الدماغ – المد والجزر العامين للإشارات الكهربائية في منطقة من الدماغ – واللحظات المحددة التي تنشطها الخلايا العصبية في تلك المنطقة من الدماغ. فموجة ثيتا الدماغية ، على سبيل المثال ، ترتفع وتنخفض بنمط ثابت بمرور الوقت ، لكن الخلايا العصبية تنطلق بشكل غير متسق ، في نقاط مختلفة على مسار الموجة. بهذه الطريقة ، تعمل موجات الدماغ مثل الساعة ، كما قال أحد مؤلفي الدراسة ، سلمان قاسم ، من جامعة كولومبيا أيضًا. لقد سمحوا للخلايا العصبية بضبط توقيت إطلاقها بدقة بحيث تهبط في نطاق إطلاق الخلايا العصبية الأخرى – وبالتالي تكوين روابط بين الخلايا العصبية.

بدأ الباحثون في ملاحظة مرحلة ما قبل السبق منذ عقود بين الخلايا العصبية في أدمغة الفئران التي تشفر المعلومات حول الموقع المكاني. تحتوي كل من أدمغة البشر وأدمغة الفئران على ما يسمى بخلايا المكان ، والتي يتم ضبط كل منها على منطقة معينة أو “مجال مكان”. قال كامران ديبا ، عالم الأعصاب بجامعة ميشيغان ، إن أدمغتنا يبدو أنها توسع مجالات هذه الأماكن لتغطية محيطنا الحالي ، سواء كان ذلك أميالًا من الطريق السريع أو غرف منزل المرء. كلما اقتربت من مركز حقل المكان ، زادت سرعة إطلاق خلية المكان المقابلة. عندما تغادر حقل مكان وتدخل حقلًا آخر ، يتلاشى إطلاق خلية المركز الأول ، بينما تلتقط الخلية الثانية.

ولكن جنبًا إلى جنب مع المعدل ، هناك أيضًا توقيت: عندما يمر الجرذ عبر حقل مكان ، تنطلق خلية المكان المرتبطة مبكرًا وقبل ذلك فيما يتعلق بدورة موجة ثيتا الخلفية. عندما يعبر الجرذ من حقل مكان إلى آخر ، يحدث الإطلاق المبكر لخلية المكان الأول في وقت قريب مع الإطلاق المتأخر لخلية المكان التالية. يتسبب إطلاقهم شبه المتزامن في تقوية المشابك ، أو الاتصال ، فيما بينهم ، وهذا الاقتران لخلايا المكان يتغلغل في مسار الجرذ في الدماغ. (يبدو أن المعلومات يتم ترميزها من خلال تقوية المشابك فقط عندما يطلق عصبونان في غضون عشرات من المللي ثانية من بعضهما البعض).

المرحلة الاستباقية واضحة في الفئران. قال قاسم: “إنها بارزة ومنتشرة في دماغ القوارض لدرجة تجعلك ترغب في افتراض أنها آلية قابلة للتعميم”. حدد العلماء أيضًا مرحلة سابقة في المعالجة المكانية للخفافيش والقرد ، لكن النمط كان بعيد المنال في البشر حتى الآن.

تعد مراقبة الخلايا العصبية الفردية أمرًا جائرًا للغاية بحيث لا يمكن إجراؤه على متوسط ​​المشاركين في الدراسة البشرية ، لكن فريق كولومبيا استفاد من البيانات التي تم جمعها منذ سنوات من 13 مريضًا بالصرع كان لديهم بالفعل أقطاب كهربائية مزروعة لرسم خريطة للإشارات الكهربائية لنوباتهم. سجلت الأقطاب الكهربائية إطلاق الخلايا العصبية الفردية بينما كان المرضى يشقون طريقهم من خلال محاكاة الواقع الافتراضي باستخدام عصا التحكم. أثناء مناورة المرضى بأنفسهم ، حدد الباحثون المرحلة الاستباقية في 12 ٪ من الخلايا العصبية التي كانوا يراقبونها.

يتطلب سحب هذه الإشارات تحليلًا إحصائيًا متطورًا ، لأن البشر يظهرون نمطًا أكثر تعقيدًا من موجات الدماغ المتداخلة مقارنة بالقوارض – ولأن نشاطنا العصبي أقل مخصصًا للملاحة. لكن يمكن للباحثين أن يقولوا بشكل قاطع أن المرحلة الاستباقية موجودة.

تشير أبحاث أخرى إلى أن المرحلة الاستباقية قد تكون حاسمة بعد الملاحة. في الحيوانات ، تم ربط هذه الظاهرة بالإدراك غير المكاني ، بما في ذلك معالجة الأصوات والرائحة. وفي البشر ، وجد البحث الذي شارك في تأليفه جاكوبس العام الماضي أن بداية المرحلة في خلايا الدماغ الحساسة للوقت. أشارت دراسة أولية لم تخضع لمراجعة النظراء بعد من قبل علماء الإدراك في فرنسا وهولندا إلى أن معالجة الصور التسلسلية تنطوي على مرحلة مسبقة أيضًا. أخيرًا ، في دراسة جاكوبس الجديدة ، تم العثور عليها ليس فقط في التنقل الحرفي ، ولكن أيضًا مع تقدم البشر نحو أهداف مجردة في المحاكاة.

تشير هذه الدراسات إلى أن المرحلة الاستباقية تسمح للدماغ بربط تسلسل الأوقات والصور والأحداث بنفس الطريقة التي يربط بها المواقف المكانية. قال قاسم: “إن العثور على الدليل الأول يفتح الباب حقًا لأن يكون نوعًا من آلية التشفير العالمية في الدماغ – ربما عبر أنواع الثدييات”. “قد تفقد الكثير من ترميز المعلومات إذا كنت لا تتبع التوقيت النسبي للنشاط العصبي.”

في الواقع ، يبحث علماء الأعصاب عن نوع جديد من الترميز في الدماغ للإجابة على السؤال الطويل الأمد: كيف يقوم الدماغ بترميز المعلومات بهذه السرعة؟ من المفهوم أن الأنماط في البيانات الخارجية تصبح متأصلة في أنماط إطلاق الشبكة من خلال تقوية وإضعاف الاتصالات المشبكية. لكن يتعين على الباحثين في مجال الذكاء الاصطناعي تدريب الشبكات العصبية الاصطناعية على مئات أو آلاف الأمثلة لنمط أو مفهوم قبل أن تتكيف نقاط قوة المشبك بما يكفي لتتعلم الشبكة هذا النمط. في ظروف غامضة ، يمكن للبشر أن يتعلموا عادةً من مثال واحد أو عدد قليل من الأمثلة.

يمكن أن تلعب المرحلة التمهيدية دورًا في هذا التباين. يأتي أحد التلميحات من دراسة أجراها باحثو جونز هوبكنز الذين وجدوا أن مرحلة ما قبل المرحلة ظهرت في الفئران التي تتعلم مسارًا غير مألوف – في حضنها الأول. وأضاف قاسم: “بمجرد أن تتعلم شيئًا ما ، فإن هذا النمط لتسلسل التعلم موجود بالفعل”. “قد يسهل ذلك التعلم السريع جدًا للتسلسلات.”

تنظم المرحلة الاستباقية التوقيت بحيث يحدث التعلم في كثير من الأحيان أكثر مما يمكن أن يحدث بطريقة أخرى. إنه يرتب للخلايا العصبية التي يتم تنشيطها بواسطة المعلومات ذات الصلة لإطلاق النار في تتابع سريع بما يكفي لتقوية المشبك بينهما. قال ديبا: “ستشير إلى هذه الفكرة القائلة بأن الدماغ يقوم بشكل أساسي بالحوسبة بشكل أسرع مما تتخيله من الترميز المعدل وحده”.

هناك نظريات أخرى حول قدرات التعلم السريع لدينا. وشدد الباحثون على أنه من الصعب استخلاص استنتاجات حول أي دور واسع الانتشار لمبادرة المرحلة في الدماغ من الدراسات المحدودة حتى الآن.

ومع ذلك ، قد يكون من المناسب إجراء بحث شامل عن هذه الظاهرة. قال برادلي ليجا ، طبيب الأعصاب في المركز الطبي الجنوبي الغربي بجامعة تكساس ، “هناك الكثير من المشكلات التي يمكن أن تحلها المرحلة الاستباقية.”

https://www.quantamagazine.org/a-new-kind-of-information-coding-seen-in-the-human-brain-20210707/