پژوهشی جدید روی موش‌ها نشان می‌دهد مغز به یک ساعت مرکزی وابسته نیست و چند ناحیه می‌توانند زمان را هم‌زمان یا مستقل دنبال کنند.
- مغز احتمالاً یک ساعت مرکزی واحد ندارد و چندین ناحیه می‌توانند زمان را دنبال کنند.
- دو ناحیه مغزی می‌توانند هم هماهنگ و هم مستقل باشند و نسبت خطاهای آن‌ها در این مطالعه تقریباً دو به یک بود.
- اتصال‌های پراکنده و فعالیت پس‌زمینه‌ای مشترک می‌توانند تعادل میان هماهنگی و استقلال را ایجاد کنند.
یک مطالعه جدید روی موش‌ها نشان می‌دهد ساعت داخلی مغز تنها یک ساعت مرکزی نیست. دو ناحیه مغزی که هر دو گذر زمان را دنبال می‌کنند می‌توانند با یکدیگر هماهنگ بمانند یا از هم فاصله بگیرند. این نواحی بسته به نیاز لحظه، میان یک درک مشترک از زمان و زمان‌سنجی مستقل جابه‌جا می‌شوند.
این یافته تصویری تازه از نحوه هماهنگی بخش‌های مختلف مغز ارائه می‌کند. نواحی مغز زمانی که باید مانند یک واحد عمل کنند می‌توانند روی یک لحظه مشترک قفل شوند. در مقابل، وقتی رویدادهای متفاوتی را دنبال می‌کنند می‌توانند شمارش زمانی جداگانه خود را حفظ کنند.
برای تصور این سازوکار می‌توان مغز را به یک ارکستر تشبیه کرد. به جای اینکه یک رهبر برای تمام ارکستر زمان را تعیین کند، بخش‌های مختلف می‌توانند سرعت مخصوص خود را داشته باشند و در عین حال هماهنگ باقی بمانند. پژوهشگران می‌گویند نواحی مختلف مغز نیز ظاهراً به شیوه‌ای مشابه کار می‌کنند؛ یعنی در صورت نیاز درکی مشترک از زمان دارند و هم‌زمان شمارش داخلی خود را حفظ می‌کنند.
وقتی این تعادل از بین می‌رود، هماهنگی میان نواحی مغز ممکن است دچار اختلال شود؛ مشکلی که در چندین بیماری عصبی دیده می‌شود.
مغز ممکن است از ساعت‌های متعدد استفاده کند
زمان‌سنجی تقریباً در زیربنای همه فعالیت‌های مغز قرار دارد. درک مدت زمانی که سپری شده است به کنترل حرکت، برنامه‌ریزی، حافظه و تصمیم‌های روزمره کمک می‌کند.
پژوهشگران برای دهه‌ها تلاش کرده‌اند بفهمند احساس زمان از کجا سرچشمه می‌گیرد. یک احتمال این بود که یک ناحیه مرکزی زمان را برای کل مغز اندازه‌گیری کند. احتمال دیگر این بود که هر ناحیه در صورت نیاز شمارش زمانی خودش را داشته باشد.
شواهد علمی به‌طور فزاینده‌ای از ایده دوم حمایت کرده‌اند. به جای یک ساعت اصلی، به نظر می‌رسد مغز درک خود از زمان را از شبکه‌هایی می‌سازد که در نواحی مختلف مغز گسترده شده‌اند.
بررسی اینکه این ساعت‌های پراکنده چگونه هماهنگ باقی می‌مانند دشوار بوده است. برای این کار باید تعداد زیادی نورون در بیش از یک ناحیه مغز به‌طور هم‌زمان ثبت شوند. همچنین حیوان باید در حال انجام کاری باشد که واقعاً به زمان‌سنجی وابسته است.
موش‌ها یاد گرفتند زمان دریافت پاداش را تشخیص دهند
Riichiro Hira، دانشیار مؤسسه علوم توکیو یا Institute of Science Tokyo (Science Tokyo)، به همراه همکارانش چنین آزمایشی را طراحی کردند.
آن‌ها به پنج موش آموزش دادند که انتظار دریافت یک قطره آب را در فواصل زمانی متناوب ۶ و ۱۲ ثانیه‌ای داشته باشند. پس از تمرین کافی، موش‌ها توانستند این ریتم را یاد بگیرند.
موش‌ها درست پیش از دریافت هر پاداش شروع به لیسیدن کردند و زمان لیسیدن‌های خود را با فاصله زمانی مربوط به همان نوبت تنظیم کردند.
دو ناحیه مغز زمان را دنبال کردند
پس از اینکه موش‌ها این وظیفه را به خوبی یاد گرفتند، تیم پژوهشی فعالیت مغز آن‌ها را بررسی کرد. پژوهشگران با استفاده از تصویربرداری کلسیمی که باعث می‌شود نورون‌های فعال زیر میکروسکوپ روشن شوند، هزاران سلول را به‌طور هم‌زمان در دو ناحیه مغز ثبت کردند.
این دو ناحیه در سطح بالایی مغز موش قرار دارند. یکی از آن‌ها در بخش جلویی مغز و در قشر حرکتی قرار دارد؛ ناحیه‌ای که با برنامه‌ریزی حرکت ارتباط دارد.
ناحیه دیگر در بخش عقب‌تر مغز و در قشر آهیانه‌ای خلفی قرار دارد. این بخش به ترکیب اطلاعات حسی و نگه‌داشتن اطلاعات در ذهن کمک می‌کند.
در هر دو ناحیه، نورون‌ها به صورت دنباله‌ای فعال شدند. سلول‌های مختلف در لحظات متفاوتی به اوج فعالیت رسیدند و یکی پس از دیگری کل فاصله زمانی را پوشش دادند. این اوج‌های مرحله‌ای یکی از روش‌های رایج مدارهای عصبی برای علامت‌گذاری زمان سپری‌شده هستند.
دانشمندان پیش از این می‌دانستند که هر دو ناحیه مغز زمان را رمزگذاری می‌کنند. اما چیزی که پیش از این مشاهده نشده بود، فعالیت هم‌زمان این دو ناحیه برای انجام همین کار در یک حیوان و در طول هر ثانیه بود.
دو روش برای اشتباه در تشخیص زمان
برای بررسی اینکه آیا این نواحی زمان یکسانی را دنبال می‌کنند یا نه، یک نرم‌افزار بر اساس فعالیت عصبی هر ناحیه به‌تنهایی تخمین زد که آن ناحیه در هر لحظه از فاصله زمانی در چه نقطه‌ای قرار دارد.
سپس پژوهشگران این تخمین‌ها را با زمان واقعی سپری‌شده مقایسه کردند.
گاهی تنها یکی از نواحی مغز در تشخیص زمان دچار خطا می‌شد. در مواقع دیگر هر دو ناحیه هم‌زمان مرتکب یک اشتباه مشابه می‌شدند. پژوهشگران بعدها این دو نوع خطا را به ترتیب خطاهای مستقل و خطاهای همدوس نام‌گذاری کردند.
نواحی مغز میان زمان‌سنجی مشترک و مستقل تعادل ایجاد کردند
خطاهای مستقل تقریباً دو برابر خطاهای همدوس مشاهده شدند. اما نکته شگفت‌انگیز، ثبات این نسبت بود. در تمام موش‌ها، نسبت خطاها تقریباً روی دو به یک باقی ماند و از حیوانی به حیوان دیگر تغییر چندانی نداشت.
این ثبات نشان می‌دهد که این تقسیم‌بندی تصادفی نیست. دو ناحیه نه کاملاً به یکدیگر قفل شده‌اند و نه کاملاً مستقل از هم عمل می‌کنند. آن‌ها یک وضعیت میانی ثابت را حفظ می‌کنند و وظیفه آزمایشی نیز آن‌ها را از این تعادل خارج نکرد.
پیش از این مطالعه، تعادل میان زمان‌سنجی مشترک و زمان‌سنجی مستقل به‌طور مستقیم اندازه‌گیری نشده بود. یافته‌های جدید نشان می‌دهد این تعادل ممکن است در خود قشر مغز ساخته شده باشد.
نواحی مختلف مغز چگونه هماهنگ باقی می‌مانند؟
اگر دو ناحیه مغز در درک زمان با یکدیگر هماهنگ می‌شوند، باید نوعی فعالیت یا اطلاعات میان آن‌ها منتقل شود. تیم پژوهشی فعالیت مشترک میان دو ناحیه را بررسی کرد تا مشخص شود چه اطلاعاتی را منتقل می‌کند.
این الگو با دیدگاه گسترده‌تری درباره نحوه ارتباط نواحی مغز با یکدیگر مطابقت دارد. پژوهش‌های قبلی نشان داده بودند که نواحی مغز تنها بخش کوچکی از اطلاعاتی را که پردازش می‌کنند با یکدیگر به اشتراک می‌گذارند.
این مطالعه نیز از همین ایده حمایت می‌کند. قوی‌ترین سیگنال مشترک میان دو ناحیه به حرکت مربوط بود. در مقابل، اطلاعات مربوط به زمان در تعداد زیادی سیگنال ضعیف‌تر توزیع شده بود.
بنابراین ساعت مشترک مغز یک سیگنال پرقدرت و واحد نیست. بلکه نوعی توافق ضعیف است که در کانال‌های کوچک متعدد پخش شده است. به همین دلیل ممکن است شناسایی آن دشوار باشد و از بین بردن کامل آن نیز به آسانی امکان‌پذیر نباشد.
مدل رایانه‌ای زمان‌سنجی مغز را بازسازی کرد
برای بررسی اینکه چه سازوکاری می‌تواند چنین تعادلی را ایجاد کند، تیم پژوهشی به سراغ شبکه‌های عصبی رفت. آن‌ها دو مدار مدل ساختند که هر کدام نماینده یکی از دو ناحیه مغز بودند.
این دو مدار با تعداد بسیار کمی اتصال به یکدیگر متصل شدند. تنها حدود یک اتصال از هر هزار اتصال دوربرد ممکن در این مدل مورد استفاده قرار گرفت. هر دو مدار همچنین همان فعالیت پس‌زمینه‌ای آهسته و در حال تغییر را دریافت کردند.
این نوسان‌ها صرفاً برای مدل ساخته نشده بودند. یک مطالعه قبلی فعالیت مغز را در سراسر مغز ثبت کرده بود. این مطالعه نشان داد فعالیت آهسته و گسترده در مغز که با حرکات حیوان ارتباط دارد، به‌طور هم‌زمان در بسیاری از نواحی حرکت می‌کند. تیم پژوهشی همین نوع تغییرات مشترک را در شبکه‌های خود وارد کرد.
شبکه دوقلو توانست نتایجی را که در موش‌ها مشاهده شده بود بازتولید کند. این نتایج شامل نسبت دو به یک میان خطاهای مستقل و همدوس نیز می‌شد. بررسی اجزای مدل نشان داد چرا چنین اتفاقی رخ می‌دهد.
- اتصال‌های پراکنده به دو مدار کمک کردند هماهنگ باقی بمانند.
- فعالیت پس‌زمینه‌ای مشترک مانع از یکسان شدن کامل دو مدار شد.
Riichiro Hira گفت: «ما دریافتیم که اتصال پراکنده میان نواحی مختلف مغز باعث تقویت هماهنگی میان دو ناحیه می‌شود. در مقابل، نوسان‌های گسترده مانع هماهنگی کامل می‌شوند و به هر ناحیه اجازه می‌دهند بازنمایی زمانی مخصوص خود را حفظ کند.»
درس‌هایی برای هوش مصنوعی و ربات‌ها
تصویری که از این یافته‌ها شکل می‌گیرد، مغزی است که برای هر دو حالت آماده می‌ماند. دو ناحیه می‌توانند زمانی که لازم است هماهنگ عمل کنند یک ساعت مشترک داشته باشند. آن‌ها همچنین می‌توانند زمانی که باید رویدادهای متفاوتی را دنبال کنند ساعت‌های جداگانه خود را حفظ کنند.
دو عامل ساده، یعنی سیم‌کشی پراکنده و نویز مشترک، برای حفظ این تعادل کافی هستند. همین نوع بده‌بستان در مهندسی نیز دیده می‌شود.
سیستمی که در عین پایداری انعطاف‌پذیر باقی بماند برای ربات‌ها و هوش مصنوعی ارزشمند است. در این حوزه، هماهنگی بیش از حد سخت‌گیرانه می‌تواند سیستم را شکننده کند. قشر مغز موش هر دو ویژگی را هم‌زمان مدیریت می‌کند و اکنون سازوکاری احتمالی برای توضیح این توانایی در اختیار پژوهشگران قرار گرفته است.
زمان‌سنجی مغز ممکن است به درک اختلالات عصبی کمک کند
این تعادل ممکن است در درک عملکرد مغز دچار اختلال نیز اهمیت داشته باشد. برخی بیماری‌های عصبی و روان‌پزشکی با از دست رفتن هماهنگی میان نواحی مغز همراه هستند. درک دقیق‌تر از اینکه نواحی سالم چگونه با وجود استقلال نسبی هماهنگ باقی می‌مانند، هدف مشخص‌تری برای پژوهش درباره این اختلالات در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد.
Hira گفت: «در آینده، نتایج ما می‌تواند به درک بهتر شناخت، اختلالات عصبی مرتبط با اختلال در هماهنگی میان نواحی مغز و توسعه هوش مصنوعی الهام‌گرفته از مغز و سامانه‌های کنترل رباتیک کمک کند؛ سامانه‌هایی که پایداری را با انعطاف‌پذیری ترکیب می‌کنند.»
در مجموع، مغز ممکن است به جای پیروی از یک رهبر واحد، بیشتر شبیه یک ارکستر عمل کند. بخش‌های مختلف می‌توانند برای مدتی کوتاه ریتم خود را حفظ کنند و در عین حال با یکدیگر هماهنگ باقی بمانند. همین ویژگی می‌تواند به مغز امکان دهد هم‌زمان از پایداری و انعطاف‌پذیری برخوردار باشد.
جمع‌بندی: ساعت داخلی مغز یک ساعت واحد نیست
ساعت داخلی مغز ممکن است به جای یک مرکز زمان‌سنجی واحد، حاصل همکاری چندین ناحیه مغزی باشد. مطالعه جدید روی موش‌ها نشان می‌دهد دو ناحیه مغز می‌توانند در برخی مواقع زمان را به شکل مشترک دنبال کنند و در مواقع دیگر شمارش زمانی مستقل خود را حفظ کنند.
این یافته نشان می‌دهد مغز برای هماهنگی خود به یک ساعت مرکزی واحد نیاز ندارد. اتصال‌های پراکنده میان نواحی و فعالیت پس‌زمینه‌ای مشترک می‌توانند تعادلی ایجاد کنند که هم هماهنگی و هم استقلال را ممکن می‌سازد.
مطالعه در مجله Nature Communications منتشر شده است.
اگر به تازه‌ترین یافته‌های علمی درباره مغز و فناوری‌های الهام‌گرفته از آن علاقه‌مند هستید، این مقاله را با دیگران به اشتراک بگذارید.
سؤالات متداول درباره ساعت داخلی مغز
آیا مغز فقط یک ساعت داخلی دارد؟
خیر. این مطالعه نشان می‌دهد دست‌کم دو ناحیه مغز می‌توانند زمان را دنبال کنند و بسته به نیاز، هماهنگ یا مستقل عمل کنند.
پژوهش چگونه زمان‌سنجی مغز را بررسی کرد؟
پژوهشگران پنج موش را آموزش دادند تا پاداش‌های آبی را در فواصل ۶ و ۱۲ ثانیه‌ای انتظار بکشند. سپس فعالیت هزاران نورون را در دو ناحیه مغز با تصویربرداری کلسیمی ثبت کردند.
خطاهای مستقل و همدوس چه تفاوتی داشتند؟
در خطای مستقل، تنها یکی از دو ناحیه مغز در تشخیص زمان اشتباه می‌کرد. در خطای همدوس، هر دو ناحیه هم‌زمان اشتباه مشابهی داشتند.
نسبت خطاهای مستقل به همدوس چقدر بود؟
خطاهای مستقل تقریباً دو برابر خطاهای همدوس بودند. این نسبت در میان موش‌های مختلف نیز ثبات قابل توجهی داشت.
این یافته چه کاربردی برای هوش مصنوعی و رباتیک دارد؟
پژوهش نشان می‌دهد ترکیب اتصال‌های پراکنده و فعالیت مشترک می‌تواند به ایجاد سامانه‌هایی کمک کند که هم پایدار باشند و هم انعطاف‌پذیر.
