قوة الانتقائية المختلطة: فهم وظيفة الدماغ والإدراك

تسعى أدمغتنا يوميًا إلى تحقيق توازن مثالي: فمع كثرة الأحداث من حولنا، وفي الوقت نفسه كثرة الرغبات والذكريات الداخلية، يجب أن تكون أفكارنا مرنة، ولكن مركزة بما يكفي لتوجيه كل ما نحتاجه. في بحث جديد نُشر في مجلة نيورون، يصف فريق من علماء الأعصاب كيف يحقق الدماغ القدرة المعرفية على دمج جميع المعلومات ذات الصلة دون أن يغرق في ما لا يهم.

يجادل المؤلفون بأن هذه المرونة تنبع من خاصية رئيسية لوحظت في العديد من الخلايا العصبية: "الانتقائية المختلطة". في حين اعتقد العديد من علماء الأعصاب سابقًا أن لكل خلية وظيفة متخصصة واحدة فقط، أظهرت أدلة أحدث أن العديد من الخلايا العصبية يمكنها المشاركة في مجموعات حسابية مختلفة تعمل بالتوازي. بمعنى آخر، عندما يفكر أرنب في قضم خس في الحديقة، قد تشارك خلية عصبية واحدة ليس فقط في تقييم جوعه، ولكن أيضًا في سماع صقر يحلق فوق رأسه أو شم رائحة ذئب بري في الأشجار وتقدير مدى بُعد الخس.

قال إيرل ك. ميلر، المؤلف المشارك في الدراسة والأستاذ في معهد بيكاور لدراسة التعلم والذاكرة بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وأحد رواد فكرة الانتقائية المختلطة، إن الدماغ لا يقوم بمهام متعددة، لكن العديد من الخلايا لديها القدرة على إجراء عمليات حسابية متعددة (أي "الأفكار"). في الدراسة الجديدة، يصف المؤلفون الآليات المحددة التي يستخدمها الدماغ لتجنيد الخلايا العصبية لعمليات حسابية مختلفة، ولضمان تمثيل هذه الخلايا العصبية للعدد الصحيح من أبعاد مهمة معقدة.

تؤدي هذه الخلايا العصبية وظائف عديدة. بفضل الانتقائية المختلطة، يمكنك الحصول على مساحة تمثيلية معقدة بقدر حاجتك إليها، لا أكثر. وهنا تكمن مرونة الوظيفة الإدراكية.

إيرل ك. ميلر، أستاذ، معهد بيكاور لدراسة التعلم والذاكرة، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

وقال المؤلف المشارك في الدراسة كاي تاي، أستاذ في معهد سالك وجامعة كاليفورنيا في سان دييغو، إن الانتقائية المختلطة بين الخلايا العصبية، وخاصة في القشرة الجبهية الأمامية الوسطى، هي المفتاح لتمكين العديد من القدرات العقلية.

قال تاي: "قشرة الفص الجبهي الأمامي تشبه همسةً تُمثّل كمًّا هائلًا من المعلومات عبر مجموعات مرنة وديناميكية للغاية. الانتقائية المختلطة هي الخاصية التي تمنحنا المرونة والقدرة الإدراكية والإبداع. إنها سرّ تعظيم القدرة الحسابية، التي تُشكّل أساس الذكاء".

أصل الفكرة

بدأت فكرة الانتقائية المختلطة عام 2000، عندما دافع ميلر وزميله جون دنكان عن نتيجة مفاجئة من دراسة للوظيفة الإدراكية في مختبر ميلر. عندما صنفت الحيوانات الصور إلى فئات، بدا أن حوالي 30% من الخلايا العصبية في القشرة الجبهية للدماغ قد جُنّدت. سخر المتشككون الذين اعتقدوا أن لكل خلية عصبية وظيفة مخصصة من فكرة أن الدماغ يستطيع تخصيص هذا العدد الكبير من الخلايا لمهمة واحدة فقط. كان جواب ميلر ودنكان هو أن الخلايا ربما تتمتع بالمرونة اللازمة للمشاركة في العديد من العمليات الحسابية. إن القدرة على العمل ضمن مجموعة دماغية واحدة، كما هو الحال، لا تمنع قدرتها على خدمة مجموعات أخرى كثيرة.

ولكن ما فائدة الانتقائية المختلطة؟ في عام ٢٠١٣، تعاون ميلر مع اثنين من مؤلفي الورقة البحثية الجديدة، وهما ماتيا ريغوتي من قسم أبحاث آي بي إم وستيفانو فوسي من جامعة كولومبيا، لإظهار كيف تمنح الانتقائية المختلطة الدماغ مرونة حسابية هائلة. باختصار، يمكن لمجموعة من الخلايا العصبية ذات الانتقائية المختلطة استيعاب أبعاد معلوماتية أكثر بكثير حول مهمة ما مقارنةً بمجموعة من الخلايا العصبية ذات وظائف ثابتة.

منذ عملنا الأصلي، أحرزنا تقدمًا في فهم نظرية الانتقائية المختلطة من منظور أفكار التعلم الآلي الكلاسيكية، كما قال ريغوتي. "من ناحية أخرى، لم تُدرس الأسئلة المهمة للباحثين التجريبيين حول آليات تطبيق هذه النظرية على المستوى الخلوي بشكل كافٍ نسبيًا. يهدف هذا التعاون وهذه الورقة البحثية الجديدة إلى سدّ هذه الفجوة."

في الورقة البحثية الجديدة، يتخيل المؤلفون فأرًا يقرر تناول حبة توت. قد تكون رائحتها لذيذة (هذا بُعد واحد). وقد تكون سامة (هذا بُعد آخر). قد يأتي بُعد أو بُعدان آخران للمشكلة على شكل إشارة اجتماعية. إذا شم فأر حبة توت في أنفاس فأر آخر، فمن المرجح أن تكون صالحة للأكل (حسب الحالة الصحية الظاهرة للفأر الآخر). يمكن لمجموعة عصبية ذات انتقائية مختلطة أن تدمج كل هذا.

جذب الخلايا العصبية

رغم وجود أدلة دامغة على الانتقائية المختلطة، فقد لوحظت في جميع أنحاء القشرة المخية وفي مناطق أخرى من الدماغ مثل الحُصين واللوزة الدماغية، إلا أن أسئلةً لا تزال مفتوحة. على سبيل المثال، كيف تُجنّد الخلايا العصبية للقيام بالمهام؟ وكيف تُركّز الخلايا العصبية، التي تتسم بروح منفتحة، فقط على ما هو بالغ الأهمية؟

وفي الدراسة الجديدة، حدد باحثون من بينهم ماركوس بينا من جامعة كاليفورنيا في سان دييغو وفيليكس تاشباخ من معهد سالك أشكال الانتقائية المختلطة التي لاحظها الباحثون، وزعموا أنه عندما تقوم التذبذبات (المعروفة أيضًا باسم "موجات الدماغ") ومعدلات الأعصاب (المواد الكيميائية مثل السيروتونين أو الدوبامين التي تؤثر على الوظيفة العصبية) بتجنيد الخلايا العصبية في مجموعات حسابية، فإنها تساعدها أيضًا في "تصفية" ما هو مهم لهذا الغرض.

بالطبع، تتخصص بعض الخلايا العصبية في مُدخل مُحدد، لكن المؤلفين يُشيرون إلى أنها الاستثناء لا القاعدة. يقول المؤلفون إن هذه الخلايا تتمتع بـ"انتقائية خالصة". فهي لا تهتم إلا برؤية الأرنب للخس. تُظهر بعض الخلايا العصبية "انتقائية مختلطة خطية"، أي أن استجابتها تعتمد بشكل متوقع على مجموع مُدخلات مُتعددة (يرى الأرنب الخس ويشعر بالجوع). أما الخلايا العصبية التي تُضيف أكبر قدر من مرونة القياس فهي تلك التي تتمتع بـ"انتقائية مختلطة غير خطية"، والتي يُمكنها تفسير مُتغيرات مُستقلة مُتعددة دون الحاجة إلى جمعها جميعًا. بدلًا من ذلك، يُمكنها تفسير مجموعة كاملة من الظروف المُستقلة (مثلًا، يوجد خس، أنا جائع، لا أستطيع سماع الصقور، لا أستطيع شم رائحة ذئاب القيوط، لكن الخس بعيد، ويمكنني رؤية سياج قوي جدًا).

إذن، ما الذي يجذب الخلايا العصبية للتركيز على عوامل ذات معنى، مهما كان عددها؟ إحدى آليات ذلك هي التذبذبات، التي تحدث في الدماغ عندما تحافظ العديد من الخلايا العصبية على نشاطها الكهربائي بنفس الإيقاع. يسمح هذا النشاط المنسق بتبادل المعلومات، ما يؤدي إلى ضبطها معًا، مثل مجموعة سيارات تبث جميعها نفس محطة الراديو (ربما بث صقر يحلق في السماء). ومن الآليات الأخرى التي يُسلّط عليها المؤلفون الضوء، مُعدّلات الأعصاب. وهي مواد كيميائية، عند وصولها إلى مستقبلات داخل الخلايا، يمكنها أيضًا التأثير على نشاطها. على سبيل المثال، يمكن لزيادة الأستيل كولين أن تُضبط الخلايا العصبية بالمستقبلات المناسبة لنشاط أو معلومة معينة (ربما الشعور بالجوع).

ويقول المؤلفون: "من المرجح أن تعمل هاتان الآليتان معًا لتشكيل شبكات وظيفية بشكل ديناميكي".

ويؤكد الباحثون أن فهم الانتقائية المختلطة أمر بالغ الأهمية لفهم الإدراك.

وخلصوا إلى أن "الانتقائية المختلطة منتشرة في كل مكان. إنها موجودة في جميع الأنواع، وتؤدي وظائف تتراوح من الإدراك عالي المستوى إلى العمليات الحسية الحركية "التلقائية" مثل التعرف على الأشياء. ويسلط انتشار الانتقائية المختلطة الضوء على دورها الأساسي في تزويد الدماغ بقوة المعالجة القابلة للتطوير اللازمة للتفكير والعمل المعقد".

تفاصيل الدراسة متاحة على صفحة مجلة CELL