برای نشان دادن ارتباط بین ژنتیک و رفتار در موش ها از یک روش ابتکاری استفاده شده است. تجزیه و تحلیل نشان می دهد که ژن Gpr12 تالاموس مغز را در حفظ حافظه کوتاه مدت پشتیبانی می کند. در طول تاریخ تالاموس مغز به عنوان یک مرکزی تصور می شد که ورودی های حسی و حرکتی را برای پردازش به قشر انتقال می داد یا اطلاعات را از یک قسمت قشر به قسمت دیگر منتقل می کرد.
در سال ۲۰۱۷، سه گروه کشف غیر منتظره ای انجام دادند که تالاموس در حافظه کوتاه مدت به صورت ویژه در حفظ الگوهای مکرر فعالیت قشر مغز که زمینه ساز حافظه است نقش مهمی نیز دارد. با این حال، اساس ژنتیکی این نقش برای تالاموس کشف نشده باقی مانده است. Hsiao و همکارانش در Cell نوشتند که ژن Gpr12 نقش کلیدی برای حفظ حافظه کوتاه مدت در تالاموس را دارد.
یافته های آن ها برای بسیاری از زمینه ها از درمان شناختی گرفته تا هوش مصنوعی مرتبط است.
شاید یکی از بزرگترین چالش های علمی عصر ما توضیح چگونگی بروز رفتار هوشمندانه در هر دو سیستم طبیعی و مصنوعی باشد. حل این سوال کاربردهای عملی خواهد داشت. برای سیستم های طبیعی می تواند به ما امکان توصیف و اصلاح اختلالات رفتاری را با دقت بی سابقه ای توضیح دهد. برای سیستم های مصنوعی، توزیع عوامل را قادر می سازد که بسیاری از جنبه های زندگی ما را افزایش می دهد، از کنترل اتومبیل های خودران تا مبارزه با اطلاعات نادرست. می توان ارتباطات زیادی را بین دو نوع سیستم ترسیم نمود، اما تفاوت های زیادی نیز وجود دارد. به عنوان مثال، برخلاف یک سیستم مصنوعی معمولی، مغز پستانداران شامل شبکه های متشکل متقابل بین دو جز متمایز – تالاموس و قشر است.
اهمیت وجود تالاموس چیست؟
این دو جز ساختار داخلی متفاوتی دارند: سلو ل های عصبی در قشر بسیار به هم پیوسته اند، در حالی که نورون های تالاموس با هم ارتباط ندارند. در سیستم های مصنوعی، شبکه های عصبی می توانند الگوهای حافظه کوتاه مدت ایجاد کنند. قشرمغز، در برخی از سطوحش می تواند به عنوان مجموعه ای از شبکه های مکرر در نظر گرفته شود که قسمت های مختلف حافظه کوتاه مدت را کنترل می کند. بنابراین این سوال مطرح می شود: چرا در میان همه این ها به تالاموس نیاز است؟ درک مکانیسم های مولکولی تنظیم کننده مدارهای تالاموکورتیکال ممکن است به ما در حل این سوال کمک کند؛ اما شناسایی ژن های مرتبط با فرایندهای شناختی کار سختی است زیرا تهیه نقشه ژنتیکی نیازمند اندازه گیری های مکرر هست که دستیابی به آن ها از مطالعات رفتاری دشوار است.
هسیائو و همکاران از یک روش ابتکاری برای غلبه بر این مانع استفاده کرده است وآن را تجزیه و تحلیل کمی صفات (QTL) تجزیه و تحلیل نامیده اند که می تواند صفات (مانند رنگ چشم، قد یا میل به ایجاد یک بیماری خاص) را در مکان های خاص در ژنوم و یا حتی به ژن های خاص تشخیص دهد.
این تیم حافظه موش ها را با استفاده از یک کار ساده رفتاری- یک آزمایش پیچ و خم که در آن حیوانات به میل خود بازوهای یک پیچ و خم T شکل را آزمایش کردند، آزمایش نمودند. اگر آن ها بازوها را که قبلاً آن را ندیده بودند، کشف کنند، در این آزمون قبول می شدند، در حالی که اگر به بازو های آشنا برگردند، شکست خوردند. نویسندگان دریافتند که عملکرد بین سویه های موش متفاوت است که به عقیده آن ها ممکن است تا حدی توسط توانایی حیوانات جداگانه برای حفظ اقدامات قبلی به عنوان الگوهای حافظه کوتاه مدت توضیح داده شود.
محققان آنالیز QTL را انجام دادند و یک منطقه ژنتیکی را یافتند که در نژادهای مختلف موش متفاوت بود. آن ها این منطقه را Smart1 نامگذاری کردند (مخفف عبارت T-maze alternativ خود به خود QTL 1). به طور خاص، حیواناتی که دارای یک توالی DNA خاص در Smart1 (لقب Smart1CAST) بودند، و کیس های دیگری (Smart1B6) داشتند، به صورت ویژه کمبود داشتند. Hsiao و همکارانش با شناسایی این منطقه، یافته های خود را از آزمون رفتاری پربار با استفاده از یک روش پیچ و خم مشابه اما پیچیده تر برای آزمایش حافظه کاری فضایی تأیید کردند. در این روش که از حیوانات کمتری استفاده می شد، موش ها باید به یاد داشته باشند که در اولین بازدید از کدام بازوی یک پیچ و خم بازدید کرده اند و برای گرفتن پاداش در بازدید دوم، بازوی دیگر را انتخاب می کنند (شکل ۱). حیوانات Smart1CAST و Smart1B6 به ترتیب عملکرد بهتر یا بدتری نسبت به کل گروه داشتند.
در ادامه، Hsiao و همکاران الگوهای بیان ژن را در چندین منطقه مغز در این دو سویه موش بررسی کرد. مهمترین تفاوت بین این دو مورد در قسمت مدیدورسال تالاموس بود که بیان ژن Gpr12 که در Smart1 صورت می گیرد. این ناحیه مغزی با قشر پیشانی که در عملکردهای شناختی سطح بالاتر مانند حافظه فعال نقش دارد، ارتباط دارد. محققان دریافتند که کاهش بیان Gpr12 منجر به عملکرد ضعیف تری در موش های Smart1CAST می شود، در حالی که بیان بیش از حد ژن باعث بهبود عملکرد حیوانات Smart1B6 می شود. Gpr12 پروتئینی را متعلق به خانواده ای می شناسد که به گیرنده های orphan معروف است و در آن مولکول لیگاند که به هر گیرنده متصل شده و فعال می شود شناسایی نشده است. Gpr12 احتمالاً فعالیت سلول های عصبی تالاموس میانی دوره داخلی را هنگامی که درگیر ورودی های خارجی (مانند ورودی های قشر پیشانی) می شوند، افزایش می دهد.
در واقع هسیائو و همکاران دریافت که الگوهای فعالیت عصبی در تالاموس میانی دوره در آن قسمت از آزمایش پیچ و خم زمانی که حیوانات احتمالاً به یاد می آورند که در گذشته در پیچ و خم قبلی قرار گرفته اند، با آن هایی که در قشر جلوی پیشانی قرار دارند همگام تر می شود. کارهای هسیائو و همکارانش شواهد اصلی را برای تقویت نتیجه گیری مقالات ارائه می دهد. یافته های آن ها همچنین نشان می دهد که الگوهای فعالیت تالاموکورتیکال هماهنگ به نسخه Smart1 موجود بستگی دارد: هر چه Gpr12 بیشتر از این منطقه بیان شود، هماهنگی تالاموکورتیکال بیشتر اتفاق می افتد و عملکرد حافظه فضایی بهتر است. کشف این نقش برای Gpr12 می تواند منجر به ایجاد عوامل دارویی شود که عملکرد حافظه فعال را تقویت می کنند. با این حال، تعیین انواع الگوی فعالیت قشر مغزی که توسط تالامیک Gpr12 افزایش می یابد، مهم خواهد بود. به عنوان مثال، در وظایفی که حیوانات باید از انجام اقدامات خودداری کنند.
تاثیراین تحقیقات بر عملکردهای شناختی چگونه بود؟
گمانه زنی در مورد این که سایر انواع عملکردهای شناختی می توانند با پایه های ژنتیکی با استفاده از رویکرد QTL مرتبط باشند، بسیار جالب است. شناخته شده است که تالاموس مدی دورسال در جابجایی نقش دارد.
آیا می توان یک آزمایش رفتاری ساده و مقیاس پذیر یافت که بتواند برای ارزیابی این فرآیند و بررسی پایه های ژنتیکی آن مورد استفاده قرار گیرد؟ سرانجام، برای بازگشت به مقایسه بین سیستم های طبیعی و مصنوعی، آیا فقدان معماری شبه تالاموس در بیشتر مدل های مصنوعی هوش، فرصتی از دست رفته است؟
از یک سو شبکه های عصبی عودکننده مصنوعی برای حفظ الگوهای حافظه یا جابجایی آن ها با وظایف، به چنین ساختاری احتیاج ندارند. از سوی دیگر شاید استفاده از این الهام بیولوژیکی در سیستم های هوش مصنوعی به ما امکان گسترش توانایی های محاسباتی بازده انرژی یا هر دو را بدهد. وقتی ما همچنان از کارهای بدیع مانند Hsiao و همکارانش الهام می گیریم، فکر کردن درباره بسیاری از امکانات پیش رو هیجان انگیز است.
