خلاصه: در تحقیقات پیشگامانه، محققان نشان دادند که چگونه فعالیت عصبی بر درک ما از زمان تأثیر می گذارد. این مطالعه به طور مصنوعی فعالیت عصبی را در موش‌ها تغییر داد و حس مدت زمان آنها را مخدوش کرد.
این یک پیوند علّی بین ساعت و رفتار مغز ایجاد می‌کند و بیشتر چگونگی اندازه‌گیری زمان را فراتر از ریتم شبانه‌روزی، در مقیاس ثانیه تا دقیقه، روشن می‌کند. این مطالعه بر فعالیت در جسم مخطط تمرکز دارد، منطقه ای از مغز که با تصمیمات مربوط به زمان مرتبط است.
حقایق کلیدی:
- دانشمندان در آزمایشگاه یادگیری Champalimaud Research با موفقیت فعالیت عصبی را در موش‌ها دستکاری کردند تا درک زمان آنها را تحریف کنند.
- این مطالعه یک ارتباط علّی بین ساعت مغز و رفتار ما ارائه می دهد.
- این مطالعه جسم مخطط را به عنوان ناحیه ای از مغز شناسایی کرد که با تصمیمات زمان بندی مرتبط است.
منبع: مرکز Champalimaud برای ناشناخته ها
از تفکرات ارسطو در مورد ماهیت زمان گرفته تا نظریه نسبیت انیشتین، بشریت مدتهاست به این فکر افتاده است که چگونه زمان را درک و درک می کنیم؟
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 است.
در کار جدید آزمایشگاه یادگیری Champalimaud Research منتشر شده در مجله علوم اعصاب طبیعت، دانشمندان به طور مصنوعی الگوهای فعالیت عصبی را در موش‌ها آهسته یا تسریع کردند، قضاوت آنها را در مورد مدت زمان منحرف کردند و قانع‌کننده‌ترین شواهد علّی را تاکنون برای چگونگی هدایت رفتار ساعت درونی مغز ارائه کردند.
برخلاف ساعت‌های شبانه‌روزی آشناتر که بر ریتم‌های بیولوژیکی 24 ساعته ما حکومت می‌کنند و زندگی روزمره ما را شکل می‌دهند، از چرخه‌های خواب و بیداری گرفته تا متابولیسم، اطلاعات کمتری در مورد چگونگی اندازه‌گیری زمان در مقیاس ثانیه تا دقیقه توسط بدن وجود دارد.
این مطالعه دقیقاً بر روی این مقیاس زمانی ثانیه به دقیقه متمرکز شد که در آن بیشتر رفتارهای ما آشکار می‌شود، چه در حال انتظار پشت چراغ توقف باشید یا در حال سرویس دادن به توپ تنیس.
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 توسط 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 گروه‌های نورون در طول رفتار تکامل می‌یابد، زمان را حفظ می‌کند.
جو پاتون، نویسنده ارشد این مطالعه، این را به انداختن یک سنگ در حوضچه تشبیه می کند. هر بار که سنگی رها می‌شود، موج‌هایی ایجاد می‌کند که به صورت یک الگوی تکرارپذیر به بیرون در سطح تابش می‌کنند. 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 آزمایشگاه‌هایی بود که ارتباط تنگاتنگی بین سرعت یا کندی تکامل این امواج عصبی و تصمیمات وابسته به زمان را نشان داد.
محققان موش‌ها 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: زمانی که 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 آهسته تر تکامل می یابد. .
با این حال، همبستگی دلالت بر علیت ندارد.
ما می‌خواستیم آزمایش کنیم که آیا تغییر در سرعت پویایی جمعیت جسم مخطط صرفاً با رفتار زمان‌بندی ارتباط دارد یا مستقیماً آن را تنظیم می‌کند. برای انجام این کار، ما به راهی برای دستکاری تجربی این پویایی ها نیاز داشتیم، زیرا حیوانات قضاوت های زمان بندی را گزارش کردند.
باز کردن زمان با دما
تیاگو مونتیرو، یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه، لبخند می‌زند: «هرگز ابزارهای قدیمی را دور نیندازید». برای ایجاد علت، تیم به یک تکنیک قدیمی در جعبه ابزار عصب‌شناس روی آورد: دما.
«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 تمپوی یک قطعه موسیقی بدون تأثیرگذاری بر خود نت‌ها است. ما فکر می‌کردیم که دما می‌تواند ایده‌آل باشد، زیرا به طور بالقوه به ما اجازه می‌دهد تا سرعت دینامیک عصبی را بدون ایجاد اختلال در الگوی آن تغییر دهیم.
برای آزمایش این ابزار در موش‌ها، 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 آزمایش‌ها، موش‌ها بیهوش شدند، بنابراین محققان از اپتوژنتیک – تکنیکی که از نور برای تحریک سلول‌های خاص استفاده می‌کند – برای ایجاد امواجی از فعالیت در جسم مخطط غیرفعال، بسیار شبیه به انداختن سنگ در حوضچه استفاده کردند.
مارگاریدا پکسیرا، یکی از نویسنده‌های ارشد، یادداشت می‌کند: «ما مراقب بودیم که منطقه را بیش از حد خنک نکنیم، زیرا فعالیت را متوقف می‌کند، یا آن را بیش از حد گرم می‌کند و خطر آسیب‌های جبران‌ناپذیری را به همراه دارد».
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.
فیلیپ رودریگز، یکی دیگر از نویسندگان اصلی این مطالعه، می‌گوید: «سپس دما به ما دستگیره‌ای داد که با آن می‌توانیم فعالیت عصبی را به موقع کشش یا منقبض کنیم، بنابراین ما این دستکاری را در زمینه رفتار اعمال کردیم.
ما به حیوانات آموزش دادیم تا گزارش دهند که فاصله بین دو صدا کوتاهتر یا بیشتر از 1.5 ثانیه است. وقتی جسم مخطط را خنک کردیم، احتمال بیشتری داشت که بگویند یک فاصله زمانی کوتاه است. وقتی گرمش کردیم، بیشتر می‌گفتند طولانی است».
برای مثال، گرم کردن جسم مخطط، دینامیک جمعیت جسم مخطط را تسریع می‌کند، شبیه به تسریع حرکت عقربه‌های ساعت، که باعث می‌شود موش‌ها یک بازه زمانی معین را طولانی‌تر از آنچه واقعاً بود، ارزیابی کنند.
دو سیستم مغز برای کنترل حرکتی
پاتون می‌افزاید: «در کمال تعجب، حتی اگر جسم مخطط کنترل حرکتی را هماهنگ می‌کند، کاهش سرعت یا سرعت بخشیدن به الگوهای فعالیت آن به همان نسبت باعث کاهش یا تسریع حرکات حیوانات در این کار نمی‌شود. این ما را وادار کرد تا عمیق‌تر 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 آن را به طور مداوم تنظیم و کنترل کنند تا از انجام موثر آن اطمینان حاصل کنند. این مشکلات اساسی در مورد انواع موجودات، از کرم گرفته تا انسان صدق می کند.
یافته‌های این تیم نشان می‌دهد که جسم مخطط برای حل چالش اول – تعیین «چه کاری» و «چه موقع» – حیاتی است، در حالی که چالش دوم «چگونگی» کنترل حرکت مداوم به دیگر ساختارهای مغز واگذار می‌شود.
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.
«جالب است»، پاتون فاش می‌کند، «داده‌های اولیه ما نشان می‌دهد که اعمال دستکاری دما در مخچه، برخلاف مخطط، بر کنترل حرکت مداوم تأثیر می‌گذارد».
همانطور که پاتون اشاره می کند، “شما می توانید این تقسیم کار را بین دو سیستم مغزی در اختلالات حرکتی مانند پارکینسون و آتاکسی مخچه مشاهده کنید.”
پارکینسون، بیماری که بر جسم مخطط تأثیر می‌گذارد، اغلب توانایی بیماران را برای شروع برنامه‌های حرکتی خود، مانند راه رفتن، مختل می‌کند. با این حال ارائه نشانه های حسی، مانند خطوط نوار روی زمین، می تواند راه رفتن را تسهیل کند.
این نشانه‌ها احتمالاً سایر نواحی مغز مانند مخچه و قشر مغز را درگیر می‌کنند که هنوز دست نخورده هستند و می‌توانند 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.
مفاهیم و جهت گیری های آینده
با ارائه بینش‌های جدید در مورد رابطه علی بین فعالیت عصبی و عملکرد زمان‌بندی، نتایج این تیم ممکن است توسعه اهداف درمانی جدید را برای بیماری‌های ناتوان‌کننده مانند پارکینسون و هانتینگتون، که شامل علائم مرتبط با زمان و مخطط مخطط هستند، پیش ببرد.
علاوه بر این، با برجسته کردن نقش خاص‌تری برای جسم مخطط در کنترل حرکتی گسسته، برخلاف کنترل مداوم، نتایج می‌توانند بر چارچوب‌های الگوریتمی مورد استفاده در رباتیک و یادگیری تأثیر بگذارند.
مونتیرو می گوید: «از قضا، برای مقاله ای درباره زمان، این مطالعه سال ها در حال ساخت بود.
اما رازهای زیادی برای کشف وجود دارد. چه مدارهای مغزی در وهله اول این موج های زمان سنجی فعالیت را ایجاد می کنند؟ چه محاسباتی، غیر از حفظ زمان، ممکن است چنین امواجی انجام دهند؟ چگونه آنها به ما کمک می کنند تا با محیط خود سازگار شویم و به طور هوشمندانه پاسخ دهیم؟
“برای پاسخ به این سوالات، ما به چیزهای بیشتری نیاز داریم که مطالعه کرده‌ایم… زمان”.
در مورد این زمان ادراک و اخبار تحقیقات علوم اعصاب
نویسنده: هدی یانگ
منبع: مرکز Champalimaud برای ناشناخته ها
مخاطب: Hedi Young – Champalimaud Center for the Unknown
تصویر: این تصویر به Neuroscience News اعتبار داده شده است
تحقیق اصلی: دسترسی آزاد.
“استفاده از دما برای تجزیه و تحلیل مبنای عصبی یک تصمیم مبتنی بر زمان” توسط جو پاتون و همکاران. علوم اعصاب طبیعت
خلاصه
استفاده از دما برای تجزیه و تحلیل مبنای عصبی یک تصمیم مبتنی بر زمان
عقیده بر این است که عقده های پایه به تصمیم گیری و کنترل حرکتی کمک می کنند. این توابع به شدت به اطلاعات زمان بندی وابسته هستند، که می تواند از وضعیت در حال تکامل جمعیت های عصبی در ساختار ورودی اصلی آنها، مخطط استخراج شود.
با این حال، این بحث وجود دارد که آیا فعالیت جسم مخطط زمینه ساز فرآیندهای تصمیم گیری نهفته، پویا یا سینماتیک حرکت آشکار است.
در اینجا، ما تأثیر دما را بر فعالیت جمعیت جسم مخطط و رفتار موش‌ها اندازه‌گیری کردیم و اثرات مشاهده‌شده را با فعالیت عصبی و رفتار جمع‌آوری‌شده در نسخه‌های متعدد یک کار طبقه‌بندی زمانی مقایسه کردیم.
خنک شدن باعث اتساع و انقباض گرم شدن هر دو فعالیت عصبی و الگوهای قضاوت در زمان می‌شود، که تغییرپذیری مرتبط با تصمیم درون‌زا در فعالیت مخطط را تقلید می‌کند.
با این حال، دما به طور مشابه بر سینماتیک حرکت تأثیر نمی گذارد. این داده‌ها شواهد قانع‌کننده‌ای ارائه می‌دهند که دوره زمانی فعالیت جسم مخطط در حال تکامل، سرعت فرآیند نهفته‌ای را که برای هدایت انتخاب‌ها استفاده می‌شود، اما نه کنترل حرکت مداوم را دیکته می‌کند.
به طور گسترده تر، آنها مقیاس زمانی فعالیت جمعیت را به عنوان یک مبنای عصبی احتمالی برای تغییر در رفتار زمان بندی ایجاد می کنند.