آیا تا به حال سعی کرده‌اید یک توپ بیسبال را بگیرید؟ در همان لحظه‌ی کوتاه، مغز شما کاری خارق‌العاده انجام می‌دهد—همزمان هم موقعیت توپ را ردیابی می‌کند و هم مدت زمانی که طول می‌کشد تا به شما برسد. این هماهنگی روزمره، حقیقتی شگفت‌انگیز درباره‌ی مغز ما را آشکار می‌کند: مغز ما دائماً زمان و فضا را به‌طور همزمان پردازش می‌کند.
چگونگی پردازش زمان و فضا در مغز
دانشمندان مدت‌هاست که کنجکاو بوده‌اند بدانند مغز ما چگونه این دو جنبه‌ی بنیادی از واقعیت را مدیریت می‌کند. حالا، محققان گروه علوم اعصاب شناختی SISSA پرده از این راز برداشته‌اند.
در مطالعه‌ی خود، والریا سنتانینو، جیانفرانکو فورتوناتو، و دومنیکا بوئتی یک سیستم شگفت‌انگیز در مغز را شناسایی کردند. یافته‌های آن‌ها نشان می‌دهد که بخش‌های مختلف مغز زمان و فضا را به شیوه‌های منحصربه‌فردی پردازش می‌کنند—درست مانند یک شرکت که برخی از بخش‌های آن همزمان چندین وظیفه را مدیریت می‌کنند، در حالی که برخی دیگر فقط روی یک کار تخصص دارند.
یک سلسله‌مراتب عملکردی در مغز
این مطالعه نشان داد که نواحی خلفی (پشتی) مغز، که اولین اطلاعات بصری را دریافت می‌کنند، زمان و فضا را به‌طور همزمان پردازش می‌کنند. اما با حرکت اطلاعات به سمت نواحی جداری (پاریتال) و پیشانی (فرونتال)، این دو عنصر به تدریج از هم جدا می‌شوند.
علاوه بر این، نحوه‌ی رمزگذاری زمان در نواحی مختلف مغز متفاوت است. در بخش‌های پس‌سری (اکسیپیتال)، زمان و فضا با هم پردازش می‌شوند و همان گروه‌های نورونی مسئول رمزگذاری هر دو جنبه هستند. هرچه مدت‌زمان یک محرک بیشتر باشد، این نورون‌ها فعال‌تر می‌شوند.
اما در نواحی جداری و پیشانی، زمان توسط جمعیت‌های نورونی مجزا پردازش می‌شود—هر گروه از نورون‌ها به‌طور انتخابی به مدت‌زمان خاصی پاسخ می‌دهند. قشر جداری به عنوان یک واسطه عمل می‌کند و دارای مکانیزم‌هایی است که زمان را هم در ارتباط با فضا و هم به‌صورت جداگانه پردازش می‌کنند.
درک این سلسله‌مراتب به ما کمک می‌کند بفهمیم مغز چگونه اطلاعات مربوط به زمان و فضا را سازماندهی می‌کند تا تعامل ما با محیط را تسهیل کند.
درک مغز از فضا و زمان
محققان به دنبال پاسخ به این پرسش اساسی بودند: مغز انسان چگونه اطلاعات بصری‌ای را که هم موقعیت مکانی و هم مدت‌زمان آن تغییر می‌کند، پردازش می‌کند؟ آن‌ها توضیح دادند: “ما می‌خواستیم بدانیم آیا فضا و زمان به‌طور مستقل پردازش می‌شوند یا خیر.”
برای بررسی این موضوع، تیم پژوهشی آزمایشی را با شرکت‌کنندگان جوان و سالم انجام داد. از شرکت‌کنندگان خواسته شد مدت‌زمان یک محرک بصری را که در موقعیت‌های مختلف صفحه نمایش ظاهر می‌شد، ارزیابی کنند.
در حین انجام این وظیفه، فعالیت عصبی شرکت‌کنندگان با استفاده از تصویربرداری تشدید مغناطیسی کارکردی (fMRI) با وضوح بالا ثبت شد. این روش به محققان اجازه داد تا مشخص کنند که کدام نواحی مغزی در پردازش فضا و زمان فعال می‌شوند و چه مکانیزم‌های عصبی در این فرایند نقش دارند.
نتایج نشان داد که نواحی مختلف مغز از استراتژی‌های متفاوتی برای رمزگذاری فضا و زمان استفاده می‌کنند. برخی از مناطق این دو جنبه را با هم ترکیب می‌کنند، در حالی که برخی دیگر آن‌ها را به عنوان ابعاد جداگانه پردازش می‌کنند.
پردازش یکپارچه‌ی زمان و فضا
یکی از یافته‌های برجسته‌ی این مطالعه این بود که در قشر بینایی پس‌سری، فضا و زمان به‌طور یکپارچه پردازش می‌شوند. این ناحیه، که در قسمت پشت مغز قرار دارد، مسئول دریافت و تفسیر محرک‌های بصری است و نقش حیاتی در تشخیص حرکت، موقعیت اشیا و مدت‌زمان آن‌ها ایفا می‌کند.
محققان توضیح دادند: “آنچه ما کشف کردیم این است که ارتباط بین فضا و زمان در مغز انسان ثابت نیست، بلکه بستگی به ناحیه‌ی مغزی درگیر دارد. در بخش خلفی مغز، به‌ویژه در قشر بینایی پس‌سری، این ارتباط قوی است زیرا فضا و زمان توسط همان نورون‌ها پردازش می‌شوند.”
نورون‌های این منطقه به موقعیت و مدت‌زمان محرک بصری پاسخ می‌دهند. هرچه مدت‌زمان مشاهده‌ی محرک طولانی‌تر باشد، فعالیت نورونی افزایش می‌یابد. این موضوع نشان می‌دهد که در مراحل اولیه‌ی پردازش بصری، فضا و زمان کاملاً درهم‌تنیده هستند و یک بازنمایی یکپارچه را تشکیل می‌دهند.
پردازش جداگانه‌ی زمان و فضا
با حرکت اطلاعات در مغز، ارتباط بین فضا و زمان ضعیف‌تر می‌شود. در نواحی پیش‌حرکتی (پرموتور) در قشر پیشانی، که در برنامه‌ریزی حرکت و تصمیم‌گیری نقش دارند، زمان به‌طور مستقل از موقعیت مکانی پردازش می‌شود. در اینجا، گروه‌های نورونی مجزا اطلاعات مربوط به زمان و فضا را به‌صورت جداگانه رمزگذاری می‌کنند.
محققان بیان کردند: “در این نواحی، مدت‌زمان به شکلی متفاوت از نواحی پس‌سری رمزگذاری می‌شود. جمعیت‌های نورونی مجزا به‌طور انتخابی به مدت‌زمان خاصی پاسخ می‌دهند، و نورون‌هایی که مدت‌زمان مشابهی را ترجیح می‌دهند، در سطح قشر مغز به‌صورت مجاور هم قرار گرفته‌اند و چیزی شبیه به ‘نقشه‌های زمانی’ را تشکیل می‌دهند.”
برخلاف قشر پس‌سری که در آن فعالیت نورون‌ها متناسب با مدت‌زمان افزایش می‌یابد، قشر پیشانی از یک سیستم دسته‌بندی‌شده استفاده می‌کند. گروه‌های مشخصی از نورون‌ها به بازه‌های زمانی مشخصی پاسخ می‌دهند، که نشان‌دهنده‌ی یک روش ساختاریافته‌تر برای درک زمان است. این سازماندهی ممکن است در وظایفی که نیاز به زمان‌بندی دقیق دارند، مانند برنامه‌ریزی حرکات و پیش‌بینی رویدادهای آینده، مفید باشد.
قشر جداری: منطقه‌ی انتقالی
میان نواحی پس‌سری و پیشانی، قشر جداری به عنوان یک منطقه‌ی انتقالی برای پردازش فضا و زمان عمل می‌کند. این ناحیه به ادغام منابع اطلاعاتی مختلف شهرت دارد و در توجه، ادراک و عملکردهای شناختی نقش دارد.
پژوهشگران دریافتند که برخی از نورون‌های این ناحیه به‌طور همزمان به موقعیت و مدت‌زمان محرک پاسخ می‌دهند، در حالی که برخی دیگر فقط به یکی از این دو بعد واکنش نشان می‌دهند.
آینده‌ی پژوهش‌های مرتبط با فضا و زمان
کشف این سلسله‌مراتب عملکردی در پردازش زمان پرسش‌های جدیدی را درباره‌ی انعطاف‌پذیری مغز مطرح می‌کند.
اگر فضا و زمان بسته به ناحیه‌ی مغزی به‌طور متفاوتی پردازش می‌شوند، این سیستم چگونه به تغییراتی مانند یادگیری، آسیب، یا پیری واکنش نشان می‌دهد؟ پژوهش‌های آینده می‌توانند بررسی کنند که آیا این مکانیزم‌ها قابل آموزش یا تغییر از طریق تجربه هستند یا خیر.
همچنین، درک چگونگی رمزگذاری زمان در مغز می‌تواند به توسعه‌ی فناوری‌های جدید در هوش مصنوعی، رباتیک، و واقعیت مجازی کمک کند.
این مطالعه که در مجله‌ی Nature Communications منتشر شده است، بینش عمیق‌تری در مورد نحوه‌ی عملکرد مغز انسان ارائه می‌دهد و همچنان به کشف پیچیدگی‌های درک ما از جهان ادامه می‌دهد.
