دستکاری درک مغز از زمان

به گزارش روابط پایگاه اطلاع رسانی علوم آزمایشگاهی ایران، آزمایشگاه یادگیری در تحقیقات Champalimaud راهی برای دستکاری درک مغز از زمان با کنترل فعالیت عصبی در موش ها کشف کرده است. تحقیقات آنها که کاربردهای بالقوه ای در درمان بیماری هایی مانند پارکینسون و هانتینگتون دارد، می تواند بر زمینه های رباتیک و الگوریتم های یادگیری نیز تأثیر بگذارد.

از تفکرات ارسطو در مورد ماهیت زمان گرفته تا نظریه نسبیت انیشتین، بشریت مدتهاست به این فکر افتاده است که چگونه زمان را درک کند. نظریه نسبیت معتقد است که زمان می تواند کشش و منقبض شود، پدیده ای که به عنوان اتساع زمان شناخته می شود. همانطور که کیهان زمان را منحرف می کند، مدارهای عصبی ما نیز می توانند تجربه ذهنی ما از زمان را کشیده و فشرده کنند. همانطور که انیشتین به طعنه معروف می گوید: دستت را برای یک دقیقه روی اجاق گاز داغ بگذار، و به نظر می رسد یک ساعت باشد. یک ساعت با یک دختر زیبا بنشین، به نظر می رسد یک دقیقه باشد.

در کار جدید آزمایشگاه یادگیری Champalimaud Research که در مجله Nature Neuroscience منتشر شده است، دانشمندان به طور مصنوعی الگوهای فعالیت عصبی را در موش ها کاهش داده یا تسریع می کنند.

فرضیه ساعت جمعیت

برخلاف تیک تاک دقیق ساعت متمرکز کامپیوتر، مغز ما حس غیرمتمرکز و انعطاف پذیری از زمان را حفظ می کند، که تصور می شود با پویایی شبکه های عصبی پراکنده در سراسر مغز شکل می گیرد. در این فرضیه (ساعت جمعیت)، مغز ما با تکیه بر الگوهای ثابت فعالیتی که در گروه های نورون در طول رفتار تکامل می یابد، زمان را حفظ می کند.

جو پاتون، نویسنده ارشد این مطالعه، این کار را به انداختن سنگ در حوضچه تشبیه می کند. هر بار که سنگی رها می شود، موج هایی ایجاد می کند که به صورت یک الگوی تکرارپذیر به بیرون در سطح تابش می کنند. با بررسی نقش و موقعیت این امواج، می توان دریافت که سنگ در چه زمانی و در کجا در آب افتاده است. همانطور که سرعت حرکت امواج می تواند متفاوت باشد، سرعت پیشرفت این الگوهای فعالیت در جمعیت های عصبی نیز می تواند تغییر کند. آزمایشگاه ما یکی از اولین آزمایشگاه هایی بود که ارتباط تنگاتنگی بین سرعت یا کندی تکامل این امواج عصبی و تصمیمات وابسته به زمان را نشان داد.

محققان موش ها را برای تمایز بین فواصل زمانی مختلف آموزش دادند. آنها دریافتند که فعالیت در جسم مخطط، یک ناحیه عمیق مغز، از الگوهای قابل پیش بینی پیروی می کند که با سرعت های مختلف تغییر می کند: وقتی حیوانات یک بازه زمانی معین را طولانی تر گزارش می کنند، فعالیت سریع تر تکامل می یابد، و زمانی که آنها آن را کوتاه تر گزارش می کنند، فعالیت کندتر تکامل می یابد.

در مطالعات قبلی از دما برای دستکاری پویایی زمانی رفتارها، مانند آواز پرندگان، استفاده شده است. خنک کردن یک منطقه خاص مغز آهنگ را کند می کند، در حالی که گرم کردن آن را سرعت می بخشد، بدون اینکه ساختار آن تغییر کند. این شبیه به تغییر سرعت یک قطعه موسیقی بدون تأثیر بر خود نت است. ما فکر می کردیم که دما می تواند ایده آل باشد، زیرا به طور بالقوه به ما اجازه می دهد تا سرعت دینامیک عصبی را بدون ایجاد اختلال در الگوی آن تغییر دهیم.

برای آزمایش این ابزار در موش ها، آنها یک دستگاه ترموالکتریک سفارشی برای گرم کردن یا خنک کردن جسم مخطط به صورت کانونی و در عین حال ثبت همزمان فعالیت عصبی ایجاد کردند. در این آزمایش ها، موش ها بیهوش شدند، بنابراین محققان از اپتوژنتیک - تکنیکی که از نور برای تحریک سلول های خاص استفاده می کند - برای ایجاد امواجی از فعالیت در جسم مخطط غیرفعال، بسیار شبیه به انداختن سنگ در حوضچه استفاده کردند. مارگاریدا پکسیرا، یکی از نویسندگان مقاله، می گوید: ما مراقب بودیم که منطقه را بیش از حد خنک نکنیم، زیرا فعالیت را متوقف می کند. آنها دریافتند که در واقع خنک کردن الگوی فعالیت را گشاد می کند، در حالی که گرم شدن آن را منقبض می کند، بدون اینکه خود الگو را مختل کند.

پاتون می افزاید: در کمال تعجب، حتی اگر جسم مخطط کنترل حرکتی را هماهنگ می کند، کاهش سرعت یا سرعت بخشیدن به الگوهای فعالیت آن به طور متناظر باعث کاهش یا تسریع حرکات حیوانات در این کار نمی شود. این ما را وادار کرد تا عمیق تر درباره ماهیت کنترل رفتار به طور کلی فکر کنیم. حتی ساده ترین ارگانیسم ها در مورد کنترل حرکت با دو چالش اساسی روبرو هستند. اول، آنها باید از میان اقدامات بالقوه مختلف انتخاب کنند - به عنوان مثال، حرکت به جلو یا عقب. دوم، زمانی که آنها اقدامی را انتخاب کردند، باید بتوانند به طور مداوم آن را تنظیم و کنترل کنند تا از انجام مؤثر آن اطمینان حاصل کنند. این مشکلات اساسی در مورد انواع موجودات، از کرم گرفته تا انسان صدق می کند.

در یک مطالعه جداگانه، تیم اکنون در حال بررسی مخچه است که بیش از نیمی از نورون های مغز را در خود جای داده است و با اجرای مداوم و لحظه به لحظه اعمال ما مرتبط است. پاتون می گوید: جالب است که داده های اولیه ما نشان می دهد که اعمال دستکاری دما در مخچه، برخلاف مخطط، بر کنترل حرکت مداوم تأثیر می گذارد.

پارکینسون، بیماری که مخطط را تحت تاثیر قرار می دهد، اغلب توانایی بیماران را برای شروع برنامه های حرکتی خود، مانند راه رفتن، مختل می کند. با این حال ارائه نشانه های حسی، مانند خطوط نوار روی زمین، می تواند راه رفتن را تسهیل کند. این نشانه ها احتمالاً سایر نواحی مغز مانند مخچه و قشر مغز را درگیر می کنند که هنوز دست نخورده هستند و می توانند به طور موثری حرکت مداوم را مدیریت کنند. در مقابل، بیماران مبتلا به آسیب مخچه با اجرای حرکات صاف و هماهنگ مشکل دارند، اما نه لزوماً با شروع یا انتقال بین حرکات.