انسان می‌تواند مجموعه‌ی وسیعی از عملیات‌های ذهنی را انجام دهد و پاسخ‌های رفتاری خود را براساس دستورالعمل‌های خارجی و باورهای داخلی تنظیم کند. برای مثال در زمان ضربه زدن با پا به ابزار موسیقی، مغز باید همزمان صدای ورودی را پردازش کند و از دانش درونی خود نیز برای حدس روند پیش رفتن آهنگ استفاده کند.

دانشمندان دانشگاه علوم اعصاب MIT به‌تازگی موفق به کشف یک استراتژی شده‌اند که مغز از آن برای انتخاب سریع و به‌انجام‌رساندن انعطاف‌پذیرانه‌ی چند عملیات ذهنی مختلف استفاده می‌کند. آن‌ها برای کشف این استراتژی از یک چارچوب ریاضی با نام تجزیه‌و‌تحلیل سیستم‌های دینامیکی استفاده کردند؛ این چارچوب، امکان درک یک اصل منطقی را فراهم می‌کند که تکامل فعالیت‌های عصبی در میان نورون‌های بی‌شمار را کنترل می‌کند.

مهرداد جزایری، استاد توسعه‌ی شغلی دانشکده‌ی علوم زیستی دانشگاه رابرت ای. سوانسون، عضو موسسه‌ی McGovern از دانشگاه MIT و نویسنده‌ی ارشد این پژوهش می‌گوید:

مغز قادر است نشانه‌های داخلی و خارجی را حین انجام یک عمل، به‌منظور انجام محاسبات جدید ترکیب کند؛ مسئله زمانی جالب می‌شود که متوجه شویم قادر هستیم برای رفتارمان در زمانی سریع‌تر از ایجاد تغییر در بخش سخت‌افزاری مغز، تغییراتی را تنظیم کنیم. بخش سخت‌افزاری مغز حالت‌های مختلفی به خود می‌گیرد و مغز از دستورالعمل‌ها و باورها برای انتخاب بین این حالت‌ها استفاده می‌کند.

گروه جزایری در پژوهش‌های پیشین دریافته بودند که مغز در هنگام شروع یک حرکت با تغییر سرعت تکامل یافتن الگوهای فعالیت عصبی طی زمان، آن را کنترل می‌کند. حالا در این پژوهش جدید دریافتند که مغز این سرعت را با انعطاف‌پذیری و بر اساس دو عامل کنترل می‌کند: ورودی‌های حسی خارجی و تنظیم حالت‌های داخلی؛ این عامل، مربوط به دانش در مورد قوانین فعالیت در حال انجام است.

اوان رمینگتون، دارای مدرک فوق دکترا از موسسه‌ی McGovern و نویسنده‌ی اصلی این پژوهش است. این پژوهش در ژورنال Neuron منتشر خواهد شد و نویسندگان دیگر آن، دویکا ناراین دارای مدرک فوق دکترا و اقبال حسینی هستند که یک دانشجوی کارشناسی ارشد از دانشگاه MIT است.

آماده، تنظیم، حرکت

دانشمندان علوم اعصاب معتقدند که انعطاف‌پذیری شناختی یا توانایی انطباق سریع با اطلاعات جدید در محدوده‌های قشری بالاتر مغز قرار دارد؛ هنوز مشخص نیست که مغز چگونه به این انعطاف‌پذیری دست پیدا می‌کند.

برای فهم یافته‌های جدید مربوط به این پژوهش می‌توان از عملکرد استفاده‌ی سوئیچ و صفحه‌ی مدرج برای تغییر خروجی یک مدار الکتریکی نام برد. برای مثال یک سوئیچ در تقویت‌کننده با کنترل ورودی به مدار، منبع صدا را انتخاب می‌کند و صفحه‌ی مدرج، صدا را با کنترل پارامترهای داخلی نظیر مقاومت متغیر تنظیم می‌کند. تیم دانشگاهی MIT یک نظریه‌پردازی مشابه انجام دادند؛ نظریه‌ی آن‌ها این بود که مغز، دستورالعمل‌ها و باورها را به‌طور مشابهی به ورودی و حالت‌های داخلی تبدیل می‌کند که مسئول کنترل رفتار مدارهای عصبی هستند.

پژوهشگران برای آزمایش این نظریه، فعالیت عصبی در قشر پیشانی مغز حیوانات را ثبت کردند؛ این حیوانات تعلیم داده شده بودند تا فعالیت زمان‌بندی‌شده و انعطاف‌پذیری با نام «آماده، تنظیم، حرکت» را انجام دهند. حیوان در این وظیفه، دو جلوه‌ی بصری(آماده و تنظیم) را می‌بیند که با یک وقفه بین ۰/۵ و ۱ ثانیه از هم فاصله دارند. سپس با فرمان حرکت در یک فاصله‌ی زمانی بعد از تنظیم حرکت می‌کند. حیوان باید یک حرکت را به‌گونه‌ای آغاز کند که وقفه‌ی «تنظیم-حرکت» برابر یا ۵/۱ برابر بیشتر از وقفه‌ی «آماده، تنظیم» باشد. دستورالعمل استفاده از ضریب ۱ یا ۱/۵ در هر آزمایش ارائه شده است.

سیگنال‌های عصبی ثبت‌شده در طول وقفه‌ی زمانی «تنظیم-حرکت» به‌وضوح حاوی اطلاعات مربوط به ضریب و طول اندازه‌گیری وقفه‌ی زمانی «آماده-تنظیم» هستند؛ اما ماهیت این اطلاعات بسیار پیچیده است. پژوهشگران برای رمزگشایی این اطلاعات از چارچوب تجزیه‌و‌تحلیل سیستم‌های دینامیکی استفاده کردند. این نوع از تجزیه‌و‌تحلیل در بررسی طیف گسترده‌ای از سیستم‌های فیزیکی، از مدارهای الکتریکی ساده گرفته تا شاتل‌های فضایی استفاده می‌شود.

جزایری و همکارانش با استفاده از این رویکرد روی اطلاعات عصبی در فعالیت «آماده، تنظیم، حرکت» متوجه شدند که مغز به چه شیوه‌ای ورودی‌ها و آمادگی‌های اولیه‌ی قشر پیشانی را تنظیم می‌کند تا کنترل یک حرکت را با انعطاف‌پذیری انجام دهد. یک عملیات مانند سوئیچ، ورودی مربوط به ضریب صحیح را تنظیم می‌کند و یک عملیات مانند صفحه‌ی مدرج، حالت نورون‌ها را بر اساس وقفه‌ی زمانی «آماده، تنظیم» تنظیم می‌کند. این دو استراتژی مکمل برای کنترل، شرایطی را فراهم می‌کنند تا سخت‌افزار ذکر شده مشغول به تولید رفتارهای مختلف شود.

پل بین رفتار و نوروبیولوژی

به گفته‌ی پژوهشگران، همچنان سوال‌های بدون پاسخ بسیاری در ارتباط با نحوه‌ی دستیابی مغز به این انعطاف‌پذیری وجود دارد. آن‌ها در تلاش هستند تا دریابند چه قسمتی از مغز، اطلاعات مربوط به ضریب را به قشر پیشانی ارسال می‌کند؛ پژوهشگران همچنین امیدوارند دریابند که در زمان یادگیری فعالیت‌ها چه اتفاقی در این نورون‌ها می‌افتد که آن‌ها را به پاسخ دادن به‌صورت انعطاف‌پذیر سوق می‌دهد. جزایری می‌گوید:

ما تمام اطلاعات مربوط به انعطاف‌پذیری رفتاری در ارتباط با جزئیات نوروفیزیولوژیک را به‌دست نیاورده‌ایم. اما درکی الگوریتمی بر اساس ریاضیات سیستم‌های دینامیکی ایجاد کردیم که مانند پلی میان رفتار و نوروبیولوژی عمل می‌کند.

پژوهشگران در تلاش برای بررسی امکان استفاده از این مدل در ارائه‌ی توضیحی از رفتار دیگر بخش‌های مغز  هستند که در انجام انعطاف‌پذیر محاسبات درگیر هستند.