 |
Musician playing the saxophone Credit: © Africa Studio / Adobe Stock |
هل تساءلت يومًا ما الذي كان يدور في دماغ جون كولتران عندما قام بالعزف الفردي الشهير في ألبومه “الخطوات الضخمة“؟ نجح الباحثون في المعهد الوطني لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات (NICT) باليابان والجامعة الغربية في كندا في تصور كيفية تمثيل المعلومات في منطقة واسعة الانتشار في القشرة الدماغية البشرية أثناء أداء متواليات حركة الأصابع الماهرة.
وخلافا للافتراض الشائع ، وجد الباحثون أن المناطق المتداخلة في القشرة الأمامية والجدارية تمثل التسلسلات في مستويات متعددة من التسلسل الهرمي الحركي (على سبيل المثال ، قطع بضع حركات الأصابع ، أو قطع بضع قطع) ، في حين أن حركات الأصابع الفردية (أي أدنى مستوى في التسلسل الهرمي) كانت ممثلة بشكل فريد في القشرة الحركية الأساسية. كشفت هذه النتائج أول خريطة مفصلة لتمثيل تسلسل القشرية في الدماغ البشري. قد توفر النتائج أيضًا بعض الدلائل لتحديد مناطق الدماغ المرشحة الجديدة كمصادر إشارة لتطبيق BCI الحركي أو تطوير خوارزمية أكثر تطوراً لإعادة بناء السلوك الحركي المعقد.
تم نشر النتائج على الإنترنت باسم يوكوي ودييدريتشن “المنظمة العصبية لتمثيل التسلسل الهرمي الحركي في القشرة المخية البشرية” في نيورون في 22 يوليو 2019.
الإنجازات
أفضل طريقة لتذكر / إنتاج متواليات حركية طويلة ومعقدة هي تقسيمها إلى عدة قطع أصغر بشكل متكرر. على سبيل المثال ، قد يتم تذكر قطعة موسيقية كسلسلة من القطع الصغيرة ، حيث يمثل كل مقطع مجموعة من الملاحظات التي تحدث في كثير من الأحيان. لطالما كان يُعتقد أن مثل هذا التنظيم الهرمي يكمن في سيطرتنا على التسلسل الحركي بدءًا من الأفعال الماهرة للغاية ، مثل تشغيل الموسيقى ، إلى السلوك اليومي ، مثل صنع كوب من الشاي. ومع ذلك ، لا يُعرف الكثير عن كيفية تنفيذ هذه التسلسلات الهرمية في عقولنا.
في دراسة جديدة نشرت في مجلة نيورون ، أتسوشي يوكوي ، مركز المعلومات والشبكات العصبية (CiNet) ، NICT ، ويورن ديدريشسن ، معهد الدماغ والعقل ، جامعة ويسترن ، تقدم أول دليل مباشر على كيفية تمثيل التسلسلات المنظمة هرميًا من خلال النشاط السكاني عبر القشرة الدماغية البشرية.
قام الباحثون بقياس أنماط نشاط الرنين المغناطيسي الوظيفي الدقيقة ، بينما أنتج المشاركون البشريون 8 سلاسل مختلفة من 11 مطبعة للإصبع. يقول ديدريشنسن ، كبير مؤلفي الدراسة وكرسي الأبحاث الغربية للسيطرة على الحركية وعلوم الأعصاب في جامعة ويسترن ، كندا: “إن تذكر 8 سلاسل مختلفة من 11 مطبعة إصبع هي مهمة صعبة ، لذا ستحتاج بالتأكيد إلى تنظيمها هرميًا“. وأضاف يوكوي ، مؤلف الدراسة الرئيسي وهو باحث سابق في مرحلة ما بعد الدكتوراه في مجموعة ديدريشنز: “لدراسة التسلسل الهرمي ، ستحتاج حقًا إلى التسلسلات للحصول على هذا القدر من التعقيد. وحالياً من الصعب جدًا تدريب الحيوانات على تعلم هذه التسلسلات“. بما أن كليهما كانا في معهد علم الأعصاب الإدراكي ، كلية لندن الجامعية بالمملكة المتحدة ، والآن باحث في مركز CiNet ، NICT ، اليابان.
من خلال سلسلة من التحليلات السلوكية الدقيقة ، يمكن للباحثين إظهار أن المشاركين قاموا بترميز التسلسل من حيث التسلسل الهرمي على ثلاثة مستويات ؛ (1) مكابس الإصبع الفردية ، (2) قطع تتكون من مكبرين للإصبع أو ثلاثة ، و (3) متواليات كاملة تتكون من أربع قطع. يمكنهم بعد ذلك توصيف أنماط نشاط الرنين المغناطيسي الوظيفي فيما يتعلق بهذه التسلسلات الهرمية باستخدام تقنيات التعلم الآلي.
كما هو متوقع ، يبدو أن الأنماط الموجودة في القشرة الحركية الأساسية ، وهي المنطقة التي تتحكم في حركات الأصابع ، تعتمد فقط على كل إصبع منفرد ، بغض النظر عن موضعه في التسلسل. يمكن إظهار النشاط في المناطق الحركية ذات الرتبة العليا ، مثل القشرية الأمامية والجدارية ، بوضوح لتشفير السياق المتسلسل على مستوى القطع أو التسلسل بأكمله. وبالتالي ، على عكس قشرة المحرك الأساسية ، “تعرف” هذه المناطق على ما تم لعبه من قبل وما يأتي بعد الضغط المستمر.
لأول مرة ، سمحت الدراسة الآن برؤى ثاقبة لتنظيم هذه التمثيلات العليا. والمثير للدهشة أن مستويات مختلفة من المعلومات التسلسلية تداخلت إلى حد كبير. أدى تقسيم المجموعات غير الخاضع للإشراف إلى تقسيم هذه المناطق إلى مجموعات مميزة ، وكان لكل منها نسبة خلط مختلفة من التمثيلات ، تمامًا مثل كيفية استخدام مساحة تخزين جهاز iPhone. كشفت هذه النتائج أول خريطة مفصلة لتمثيل تسلسل القشرية في الدماغ البشري.
تأثير الدراسة
كان أحد الافتراضات الشائعة في علم الأعصاب الإدراكي هو أن كل مستوى في التسلسل الهرمي الوظيفي من شأنه أن يعكس التسلسل الهرمي التشريحي ، من القشرية العليا ، القشرية (مثل القشرية الحركية أو الجدارية) وصولاً إلى القشرية الحسية الأولية. إن التعايش الغامض بين الفصل التشريحي الواضح (أي ، الإصبع الفردي مقابل التماثيل الأخرى) والتداخل (أي التماثيل الضمنية والتسلسلية) يلقي ضوءًا جديدًا على السؤال الكلاسيكي حول المراسلات بين التسلسلات الهرمية الوظيفية والتشريحية. “يمكن القول أن الدماغ يمثل متواليات حركية بطرق هرمية جزئية ، لكنها مسطحة جزئياً.”
“على الرغم من أن دورها الوظيفي لا يزال غير واضح ، فإن التداخل التشريحي بين تمثيلات القطع والتسلسل قد يشير إلى أن هذه التمثيلات في التسلسل الهرمي للحركة العليا قد تؤثر مع بعضها البعض لدعم إنتاج تسلسل مرن. هذا يحتاج إلى اختبار في الدراسة المستقبلية” ، يوك
خلصت أوي.
افاق المستقبل
تقترح الدراسة أيضًا موقعًا ممكنًا يمكننا من خلاله تسجيل إشارة الدماغ للتحكم في الأطراف الاصطناعية العصبية لعمل تسلسلات حركة بطلاقة في تطبيقات BCI المحتملة. ويأمل الباحثون أيضًا أن تسهم أيضًا في تطوير خوارزمية فك تشفير جديدة تجمع بفعالية المعلومات الموجودة في تسلسلات هرمية مختلفة لإعادة إنتاج الحركات.
وقد أجريت الدراسة في إطار التعاون الدولي بين NICT (اليابان) ، UCL (المملكة المتحدة) ، وجامعة ويسترن (كندا).
ملخص : تصور الباحثون كيف يتم تمثيل المعلومات في منطقة واسعة الانتشار في القشرة الدماغية البشرية أثناء أداء تسلسل حركة الأصابع الماهرة. كشفت النتائج أول خريطة مفصلة لتمثيل تسلسل القشرية في الدماغ البشري.
