حتی در تاریکی کامل، مغز شما میداند کجا قرار دارید. زمانی که شبانه در خانه حرکت میکنید، بدون اتکا به بینایی، مغز بهصورت بیصدا قدمها و چرخشهای شما را ردیابی میکند و موقعیتتان را بهروز نگه میدارد.
این توانایی از فرایندی به نام یکپارچهسازی مسیر (Path Integration) ناشی میشود؛ روشی که مغز با جمعکردن اطلاعات حرکتی در طول زمان، جهتیابی را ممکن میسازد.
اما یکپارچهسازی مسیر فقط به مسیریابی محدود نیست. اگر مغز میتواند توالی قدمها را به حس مکان تبدیل کند، شاید از قواعد مشابهی برای تبدیل توالی لحظات به حافظه استفاده میکند.
درک اینکه مغز چگونه فاصله و زمان را ردیابی میکند، میتواند توضیح دهد تجربهها چگونه در ذهن شکل میگیرند و چرا این توانایی اغلب از نخستین کارکردهایی است که در بیماریهای عصبی دچار اختلال میشود.
وقتی حرکت به حافظه تبدیل میشود
حافظه اغلب بیشتر شبیه یک دنباله از رویدادها عمل میکند تا یک تصویر ثابت. شما از آشپزخانه به سمت مبل رفتید، در راهرو مسیر را اشتباه رفتید، سپس برگشتید.
این خاطرات به زمان و فاصله وابستهاند، نه فقط به آنچه دیدهاید. به همین دلیل است که دانشمندان مطالعه مسیریابی را بسیار جدی میگیرند.
رسیدن از نقطه A به نقطه B شاید ساده به نظر برسد، اما همین فرایند به همان سامانههایی متکی است که کمک میکنند به خاطر بیاورید چه چیزی اول اتفاق افتاد، بعد چه شد و چقدر طول کشید.
زمانی که این سامانهها شروع به ازکارافتادن میکنند، افراد آن را در زندگی روزمره حس میکنند؛ برای مثال گمکردن مسیر در مکانهای آشنا.
دویدن موشها بدون هیچ نشانهای
پژوهشگران مؤسسه علوم اعصاب ماکس پلانک فلوریدا (MPFI) تصمیم گرفتند مسیریابی را به سادهترین شکل ممکن بررسی کنند.
در این مطالعه، آنها موشها را آموزش دادند تا در یک محیط واقعیت مجازی خاکستری، بدون هیچ نشانه بصری مشخص، مسافت معینی را بدوند و در ازای آن پاداش دریافت کنند.
در شرایطی که دنیا تقریباً به هیچ تقلیل یافته بود، حیوانات نمیتوانستند به نشانههای معمول مانند اشیای متمایز یا مناظر تکیه کنند. آنها مجبور بودند فاصله طیشده را فقط با پایش حرکت خودشان تخمین بزنند.
همزمان با دویدن موشها، تیم پژوهشی پالسهای الکتریکی بسیار ظریفی را که نورونها برای ارتباط استفاده میکنند ثبت کرد و فعالیت هزاران نورون را بهطور همزمان زیر نظر گرفت.
اندازهگیری فاصله بدون بینایی
تمرکز اصلی پژوهش بر هیپوکامپ بود؛ ناحیهای از مغز که سالهاست با مسیریابی و حافظه پیوند داده میشود. این بخش بیشتر بهخاطر سلولهای مکانی (Place Cells) شناخته میشود؛ نورونهایی که هنگام قرارگرفتن حیوان در یک مکان خاص فعال میشوند.
محیط تقریباً خالی این امکان را فراهم کرد تا مشخص شود این نورونها واقعاً به چه چیزی پاسخ میدهند.
در محیطهای پیچیده پر از صدا، بو و تصویر، تشخیص اینکه نورونهای هیپوکامپ به نشانههای حسی واکنش نشان میدهند یا به خود موقعیت حیوان، همواره دشوار بوده است.
«در این مطالعه، ما تا حد امکان نشانههای حسی را حذف کردیم تا شرایطی مانند حرکت در تاریکی را شبیهسازی کنیم.»
— یینگشو وانگ، نویسنده ارشد پژوهش از MPFI
او توضیح میدهد که در این شرایط سادهشده، تنها تعداد کمی از سلولهای هیپوکامپ یک مکان یا یک زمان خاص را نشان میدادند.
فاصله چگونه در مغز ظاهر میشود
این نتیجه پرسش عمیقتری را مطرح کرد. اگر فقط بخش کوچکی از نورونها مکان یا زمان را علامتگذاری میکنند، بقیه نورونها چه نقشی دارند؟
پژوهشگران پیشنهاد میکنند این نورونها به حیوان کمک میکنند موقعیت خود را با یکپارچهسازی فاصله و مدت حرکت دنبال کند؛ همان فرایند یکپارچهسازی مسیر.
آنچه در هیپوکامپ مشاهده شد، صرفاً چند نورون نبود که یک مکان خاص را فریاد بزنند.
بیشتر نورونها در یکی از دو الگوی فعالیت متضاد قرار میگرفتند که به موشها کمک میکرد بفهمند چه مقدار مسیر را طی کردهاند.
- یک گروه در آغاز حرکت بهشدت فعال میشد و با ادامه مسیر فعالیتش کاهش مییافت.
- گروه دیگر در شروع حرکت افت فعالیت داشت و با افزایش فاصله، بهتدریج فعالتر میشد.
چند راهبرد برای یک هدف
این دو الگو در کنار هم مانند یک کد دومرحلهای عمل میکردند. تغییر سریع فعالیت، شروع حرکت را نشان میداد؛ مشابه فشردن دکمه شروع یک کرنومتر.
سپس افزایش یا کاهش آهسته فعالیت، شمارش را ادامه میداد و فاصله طیشده را علامتگذاری میکرد. سرعتهای متفاوت این افزایش یا کاهش به مغز اجازه میداد هم فاصلههای کوتاه و هم مسیرهای طولانی را با یک سازوکار پایه مدیریت کند.
«ما کشف کردهایم که مغز، فاصله یا زمان سپریشده را با استفاده از نورونهایی که الگوهای فعالیت افزایشی دارند کدگذاری میکند.»
— رافائل هلدمن، پژوهشگر اصلی
او تأکید میکند که این نخستین بار است که نشان داده میشود فاصله به روشی متفاوت از کدگذاری مبتنی بر مکان در هیپوکامپ ثبت میشود و این یافتهها نشان میدهد هیپوکامپ از راهبردهای متعددی برای کدگذاری زمان و فاصله استفاده میکند.
وقتی ردیابی فاصله فرو میریزد
این مطالعه به مشاهده نورونها محدود نماند. پژوهشگران با دستکاری مدارهایی که این الگوها را تولید میکنند، آنها را مختل کردند.
در نتیجه، موشها در انجام وظیفه دچار مشکل شدند و اغلب پاداش را در مکان اشتباه جستوجو میکردند.
این ارتباط اهمیت زیادی دارد، زیرا فعالیت مغزی را به رفتار واقعی پیوند میدهد. دیدن یک الگو در سیگنالهای عصبی یک چیز است، اما نشاندادن اینکه حیوان برای قضاوت دقیق فاصله واقعاً به آن الگو نیاز دارد، موضوعی کاملاً متفاوت است.
وقتی مغز حس فاصله را از دست میدهد
یکی از دشوارترین بخشهای پژوهش مغز، پیوند دادن وظایف آزمایشگاهی با زندگی انسان است. این مطالعه بیش از بسیاری از تحقیقات دیگر چنین ارتباطی را برقرار میکند.
ازدستدادن حس فاصله و زمان میتواند از نشانههای اولیه بیماری آلزایمر باشد؛ گاهی حتی پیش از آنکه مشکلات آشکار حافظه بروز کنند.
درک اینکه مغز چگونه زمان و فاصله را در یکپارچهسازی مسیر کدگذاری میکند، اهمیت ویژهای دارد، زیرا این توانایی از نخستین کارکردهایی است که در آلزایمر رو به افول میگذارد.
بیماران اغلب از علائمی مانند سردرگمی فضایی در محیطهای آشنا یا ندانستن اینکه چگونه به یک مکان خاص رسیدهاند، شکایت میکنند.
اکنون تیم پژوهشی به سراغ پرسش بعدی رفته است؛ اینکه مغز در وهله اول چگونه این الگوهای افزایشی را ایجاد میکند.
پاسخ به این پرسش میتواند توضیح دهد تجربههای لحظهبهلحظه چگونه به حافظهای منسجم تبدیل میشوند و در آغاز بیماریهایی که این توانایی را از بین میبرند چه چیزی دچار اختلال میشود.
نتایج کامل این پژوهش در نشریه علمی Nature Communications منتشر شده است.
