neuron

توانایی نورون ها در رمزگذاری کردن همزمان بیش از یک سیگنال

در روز های اولیه ارتباطات از راه دور، مهندسان راه هوشمندانه ای برای ارسال چندین تماس تلفنی از طریق یک سیم منفرد در یک زمان فراهم کردند. این تقسیم بندی، تقسیم بندی زمانی نامیده می شود، این تکنیک به سرعت در بین ارسال تکه هایی از هر پیام تغییر می کند.

تحقیقات جدید از دانشگاه Duke نشان می دهد که نورون های موجود در مغز ممکن است یک استراژی مشابه داشته باشند.

در یک آزمایش که چگونه میمون ها به صدا پاسخ می دهند، یک گروه از عصب شناسان و آماردانان دریافتند که یک نورون می تواند اطلاعات از دو صدای مختلف را با تغییر سیگنال مربوط به یک صدا و سیگنال مرتبط با صدای دیگر، کد گذاری کنند.

Jennifer Groh، استاد گروه روانشناسی و علوم اعصاب، و در بخش نوروبیولوژی در دانشگاه Duke، گفت:

سوال ما این بود که، چگونه نورون ها در یک زمان، اطلاعات مربوط به دو محرک مختلف را در جهان حفظ می کنند؟ 

Groh گفت:

ما دریافتیم که دوره های زمانی وجود دارد که یک نورون به یک محرک پاسخ می دهد و در دیگر دوره های زمانی پاسخ دیگری می دهد. این دوره ها ظاهراََ قادر به تعویض بین هر یک هستند.

نتایجی که در ۱۳ جولای در مجله Nature Communications چاپ شد، بیان می دارد:

این نتایج ممکن است توضیح دهد که چگونه مغز اطلاعات پیچیده را از دنیای اطراف ما پردازش می کند و همچنین می تواند بینش های برخی از محدودیت های ادراکی و شناختی ما را فراهم کند.

Groh و تیم خود برای ایجاد کشف، توسعه و به کار بردن چندین روش جدید تجزیه و تحلیل به داده های تجربی خود،با Surya Tokdar، استادیار علوم آماری در دانشگاه Duke، همکاری کردند.

دانشمندان اغلب در مطالعات رفتار یک نورون، تنها یک محرک را در یک زمان بررسی می کنند، درک اینکه چگونه نورون یک فرد پاسخ می دهد؟ وقتی که موضوع یک یادداشت خاص پخش می شود یا یک تصویر واحد را نشان می دهد.

اما واقعیت ساده است. مغز ما قادر به پردازش چند محرک در یک زمان است مانند گوش دادن به یک دوست در مهمانی با اجرا موسیقی در پس زمینه و یا برداشتن وزوز cicada از یک سمفونی از ترشح حشرات.

Valeria Caruso، یک دانشمند تحقیقاتی در بخش روانشناسی و علوم اعصاب دانشگاه Duke، گفت:

این واضح نیست که چگونه از نورون های که اشیاء یگانه را رمزگذاری می کنند، به نورون هایی که اشیا چند گانه را رمزگذاری می کنند، می رویم. ما می خواستیم یک مرحله متوسطی را فراهم کنیم، به دنبال اینکه نورون ها گروه های کوچکی از اشیاء را کدگذاری می کنند.

در مسائل پیچیده، مطالعات تک نورون نشان داده است که بسیاری از نورون های حسی به طور گسترده تنظیم شده اند، به این معنی که هر یک قادر به پاسخ دادن به صداها در طیف وسیعی از فرکانس های مختلف است. برای مثال همان نورون هایی که توسط صدای دوست شما تحریک می شود ممکن است توسط یادداشت های آهنگ مورد علاقه شما نیز تحریک شود.

Groh گفت:

اگر من یک نورون هستم و قادر به پاسخ به هر دو تصویر یک بالش و نیمکت باشم که در حال استراحت است، مغز چگونه نتیجه می گیرد که بالش و نیمکت وجود دارد؟

در یک آزمایش، پژوهشگران میمون ها را در یک اتاق تاریک قرار دادند و آن ها را به سمت صدایی که می شنیدند، سوق می دادند. پژوهشگران یک یا دو صدا را با فرکانس(بسامد) متفاوت و از مکان های مختلف پخش کردند.

هنگامی که پژوهشگران دو صدا را با هم پخش کردند، میمون ها در ابتدا در جهت یک صدا و سپس در جهت صدای دیگر رفتند و پژوهشگران به این نتیجه رسیدند که میمون ها دو صدای متفاوت را از هم تشخیص دادند.

برای فهمیدن اینکه چگونه مغز میمون هر دو صدا را کدگذاری می کند، این تیم  الکترودها را در کمر به پائین، در یک نقطه اصلی در مسیر شنوایی مغز، قرار داد تا بتوانند میدان الکتریکی ناشی از شلیک نورون ها را اندازه گیری کنند.

پژوهشگران واکنش نورون های منفرد به صداهای فردی و ترکیب صدا را بررسی کردند. Groh said افزود که عمل استاندارد در این زمینه شمارش تعداد سنبله ها در یک دوره زمانی و محاسبه میانگین تعداد آزمایش ها است. اما این روش هر گونه نوسان در فعالیت نورون را مختل می کند که ممکن است نشان دهنده این باشد که نورون ها بین دو محرک مختلف به عقب و جلو تعویض می شوند.

این تیم ترکیبی از روش های آماری پیشرفته را در بر می گیرد، از جمله یک روش جدید به نام یک مدل فرآیند نقطه مخلوط متحرک که توسط Tokdar و تیمش تهیه شده است، نامیده می شود تا الگوهای دقیق تر را از داده ها استخراج کند. آن ها دریافتند که یک نورون منفرد می تواند به یک صدا با یک میزان شلیک پاسخ دهد و صدای دوم را با شلیک متفاوت پاسخ دهد. هنگامی که هر دو صدا به طور همزمان پخش شدند، به نظر می رسد که بین دو نرخ شلیک تغییر کند. گاهی اوقات این نوسانات به اندازه کافی سریع بودند که نورون ها در عرض نیم ثانیه بعد از صدای پخش تغییر می کردند و در موارد دیگر تعویض نیز کندتر بود.

این تیم تجزیه و تحلیل آماری داده ها از آزمایش های انجام شده توسط Winrich Freiwald، استاد علوم اعصاب و رفتار از دانشگاه Rockefeller، را تکرار کرد. در این آزمایش ها، Freiwald میزان شلیک نورون های منفرد را در ناحیه بصری قشر در پاسخ به تصاویر یک چهره یا دو چهره بررسی کرد. این تجزیه و تحلیل نشان داد که در همان الگوی تعویض زمانی دو چهره حضور داشتند.

این یافته ها سرنخ هایی را ارائه می دهد که نشان می دهد در مغز باید با یک مجموعه محدودی از نورون ها در یک زمان بیش از یک چیز را انجام دهد. به عنوان مثال، حافظه کاری ما -تعدادی از چیزهایی که می توانیم در ذهنمان در یک زمان نگه داریم- محدود به حدود پنج تا هفت مورد است. پژوهشگران معتقدند، تحقیقات بیشتر ممکن است به توضیح این محدودیت ها کمک کند در حالی که این آزمایش ها مستقیماََ آزمایش حافظه کاری را انجام نمی دهند.

Groh افزود:

سیستم حافظه کاری ما کاملاََ محدود است و هیچکس واقعاََ نمی داند که چرا این گونه است؟ شاید این محدودیت ناشی از نوعی رفتار چرخه ای باشد که در آن شما یک چیزی را در یک زمان کدگذاری می کنید و در طول یک دوره تعداد مواردی که می توانید نشان دهید به مدت زمان لازم برای نشان دادن هر یک از آن ها و این که چگونه می توانید سریعاََ تغییر دهید، بستگی دارد.