دانشمندان با مدل‌سازی شبکه‌های عصبی کشف کردند مغز چطور آینده را پیش‌بینی می‌کند

مطالعه جدیدی نشان داده قشر مغز می‌تواند با شناسایی محرک‌های جدید و ایجاد اثراتی موقت در حافظه کوتاه‌مدت به نام «انعکاس‌ها»، آینده را پیش‌بینی کند. در این پژوهش، محققان توانسته‌اند این مکانیسم را که نقش کلیدی در ادراک و یادگیری دارد، با استفاده از مدل‌سازی شبکه‌های عصبی تأیید کنند. 

قشر مغز (Cerebral Cortex) که بزرگ‌ترین بخش مغز پستانداران محسوب می‌شود، در بسیاری از عملکردهای شناختی حیاتی نقش دارد. در انسان، این بخش مسئول ادراک، تفکر، ذخیره‌سازی حافظه و تصمیم‌گیری است. یکی از فرضیه‌های مطرح در علوم اعصاب می‌گوید عملکرد اصلی قشر مغز پیش‌بینی رویدادهای آینده از طریق پردازش اطلاعات حسی جدید و مقایسه آنها با انتظارات قبلی است.

به گزارش Scitechdaily، پژوهشی که به‌تازگی در مجله Neuron منتشر شده، شواهد مهمی در دفاع از این فرضیه ارائه می‌دهد. این پژوهش به سرپرستی «یوری شیمکیو»، پژوهشگر آزمایشگاه پروفسور «رافائل یوست»، گامی مهم در درک نقش پیش‌بینی‌کننده قشر مغز به شمار می‌آید. شیمکیو توضیح می‌دهد:

«دریافتیم قشر مغز مانند ماشین حافظه عمل می‌کند؛ تجربه‌های جدید را ثبت و آینده‌ای بسیار نزدیک را پیش‌بینی می‌کند.»

قشر مغز ماشین حافظه‌ای برای پیش‌بینی آینده

پروفسور یوست نیز با اشاره به اهمیت این پژوهش، توضیح داد:

«این مطالعه بینش‌های ارزشمندی درباره نقش قشر مغز ارائه می‌دهد و به درک بهتر بیماری‌هایی مانند اسکیزوفرنی کمک می‌کند. در این بیماری‌ها، عملکرد قشر مغز دچار اختلال می‌شود.

تازگی محرک -تجربه جدید و ناشناخته برای مغز- تفاوت بین آنچه انتظار داریم اتفاق بیفتد و آنچه را واقعاً رخ داده است، نشان می‌دهد. پژوهش ما حاکی از آن است که قشر مغز پیوسته درحال شناسایی محرک‌های جدید است تا پیش‌بینی‌های خود را اصلاح کند و بهبود ببخشد. توانایی تشخیص تازگی، عملکردی حیاتی برای انسان و سایر حیوانات محسوب می‌شود.» 

پاسخ مغز به‌ تازگی محرک: ثبت خاطرات کوتاه‌مدت از طریق انعکاس‌های عصبی

تیم پژوهشی کار خود را با طراحی آزمایشی برای بررسی واکنش موش‌ها به ترکیبی از محرک‌های حسی آشنا و جدید آغاز کرد. این محرک‌ها مجموعه‌ای از صداها با زیروبمی‌های متفاوت بودند. با تصویربرداری از قشر شنوایی موش‌ها (بخشی از قشر مغز که پردازش صدا را بر عهده دارد)، دانشمندان دریافتند گروه‌هایی از نورون‌ها نه‌فقط به نوع صدای شنیده‌شده واکنش نشان می‌دهند، بلکه میزان تازگی آن را نیز درک می‌کنند. 

نکته جالب اینجاست که هر صدا ردی از فعالیت نورونی به‌ جا می‌گذارد که پژوهشگران آن را «انعکاس» نامیده‌اند. این انعکاس‌ها مانند اثر حافظه‌ای کوتاه‌مدت، محرک‌های حسی اخیر را دنبال کرده و به مغز کمک می‌کنند پاسخ‌های منحصربه‌فردی به ورودی‌های جدید بدهد. این فرایند همچنین باعث می‌شود مغز محرک‌های تازه را شناسایی کند؛ درنتیجه واکنش‌های آن به این محرک‌ها تقویت شود.

مدل‌سازی

برای درک بهتر این یافته‌ها، تیم پژوهشی مدل شبکه عصبی از قشر شنوایی ساختند و آن را برای شناسایی محرک‌های جدید آموزش دادند. این مدل همان چیزی را که در موش‌ها مشاهده کرده بودند، شبیه‌سازی کرد و نشان داد شبکه‌های نورونی برای ذخیره‌سازی مدل محیط از انعکاس‌های فعالیت عصبی استفاده می‌کنند و از آن برای تشخیص تغییرات بهره می‌برند.

محققان نتیجه گرفتند نحوه ارتباط نورون‌ها در قشر مغز که به‌صورت حلقه‌های متصل به هم تنظیم شده، باعث شده تشخیص تازگی به ویژگی خودبه‌خودی و خودکار شبکه عصبی تبدیل شود. به گفته پروفسور یوست، «این گامی مهم در درک توانایی مغز در تشخیص تازگی است.»

او همچنین اشاره کرد مدلی که شیمکیو توسعه داده، براساس ایده‌های «جان جی. هاپفیلد»، برنده نوبل 2024 برای ساخت مدل‌های شبکه عصبی و پیشگام در زمینه هوش مصنوعی بنا شده است.

درک عملکرد قشر مغز در بیماری‌هایی نظیر اسکیزوفرنی

این پژوهش همچنین بینش‌های تازه‌ای درباره نقش اصلی قشر مغز در اسکیزوفرنی ارائه می‌دهد. پزشکان سال‌هاست که می‌دانند افراد مبتلا به اسکیزوفرنی در تمایز اطلاعات جدید از اطلاعات قدیمی دچار مشکل هستند.

در گذشته، دانشمندان تلاش می‌کردند رفتار نورون‌های فردی را برای توضیح این یافته‌ها بررسی کنند اما با مشکلاتی مواجه شدند. یکی از مهم‌ترین یافته‌های این پژوهش جدید این است که تشخیص تازگی به‌عهده نورون‌های منفرد نیست، بلکه وظیفه شبکه‌های نورونی است. 

پروفسور یوست افزود: «ما بسیار هیجان‌زده‌ایم که این یافته‌ها می‌توانند درک ما از این بخش حیاتی مغز را عمیق‌تر کنند. همچنین این پژوهش بینش‌های مهمی درباره مواردی را که ممکن است عملکردهای قشر مغز به‌ اشتباه پیش برود، ارائه داده و راه‌های اصلاح آن را نشان می‌دهد.»