چگونه مغز تنظیم فعالیت حرکتی را بصورت دقیق و سریع انجام می‌دهد؟

– به نظر می‌رسد یادگیری حرکتی کوتاه مدت، نیازمند تغییرات فیزیکی در مغز نیست

– قشر پیش حرکتی مغز ممکن است از یک “پد خراش عصبی” (neural scratch pad) برای محاسبه‌ی تنظیم‌های دقیق استفاده کند

– مغز می‌تواند بدون “به هم ریختن کاری که انجام می‌دهد”، موارد متفاوتی را در تحریک امتحان کند

دانشمندان  Northwestern Medicine مرکز شیکاگو، یک مکانیسم عصبی برای اعمال تغییرات سریع و با دقت بالا در فعالیت دقیق حرکتی کشف کرده‌اند.

این مطالعه که تحت هدایت Lee Miller، استاد فیزیولوژی در دانشگاه علوم پزشکی Northwestern، انجام شد، نشان می‌دهد مغز از یک “پد خراش عصبی” در میان قشر پیش حرکتی و قشر حرکتی اولیه برای محاسبه تغییرات با دقت بالا استفاده می‌کند.

Miller گفت: “این یادگیری حرکتی کوتاه مدت به نظر می‌رسد نیازی به تغییرات ساختاری در مغز نداشته باشد، و این امر، آن را سریع‌تر و انعطاف پذیرتر می‌سازد.”

این مطالعه در تاریخ ۱۸ اکتبر در نشریه Neuron منتشر گردیده‌است.

دانشمندان علوم اعصاب در طول سالیان طولانی، بدنبال پاسخ این پرسش بودند که مغز چگونه در بازه‌های زمانی کوتاه با رفتار حرکتی تطابق می‌یابد. مطالعه اخیر نشان داده‌است حدود ۱۵ دقیقه برای اینکه مغز بطور دقیق رفتار را تنظیم کند، زمان لازم است؛ بهمین ترتیب، محققان بدنبال یک علامت مطابق با این یافته هستند—کاهش یا تغییر فعالیت در زمانیکه تغییر رفتار انجام می‌شود.

تاکنون، مطالعات قشر حرکتی برای این علامت، بی‌ثمر بوده‌است.

در مطالعه کنونی، محققان دید خود را وسیع‌تر کردند؛ در مدلهای پریمات، هم فعالیت فشر حرکتی و هم فعالیت قشر پیش حرکتی را در طول انجام حرکت، مورد اندازه‌گیری قرار دادند. آنها دریافتند زمانیکه حرکت از اندازه مورد انتظار خارج شد و نیاز به تنظیم آن بود، ارتباطات عملکردی میان نورونهای این دو ناحیه بدون تغییر باقی ماند. این مشاهده، این نظریه را که تغییرات فیزیکی در مغز مکانیسم مسئول تنظیم هستند، رد کرد.

با این حال، بررسی سیگنالهای قشر پیش حرکتی و قشر حرکتی، دو مجموعه متمایز را آشکار کرد. یک مجموعه شامل سیگنالهایی که بنظر می‌رسید مسئول کنترل فعالیت در قشر حرکتی هستند و تحت عنوان “potent projection” نامیده می‌شوند. مجموعه دوم شامل سیگنالهایی که منحصرا در مسیر حرکت به سمت قشر حرکتی، متوقف شدند و “null projection” نامیده می‌شوند. این، مغز را قادر می‌سازد تا اثرات نقشه‌های مختلف حرکتی را بدون انجام دادن آن عمل، شبیه‌سازی کند.

Miller اذعان داشت: “مغز می‌تواند بدون به هم ریختن کاری که انجام می‌دهد، موارد متفاوتی را امتحان کند. سپس زمانیکه آن را بررسی کرد، می‌تواند این دستورات تغییر یافته را از طریق potent projection به قشر حرکتی ارسال کند.

مطابق نظر Matt Perich، مولف ارشد مطالعه و فارغ التحصیل از آزمایشگاه Miller، بازه زمانی این محاسبات متغیر در null projection با بازه زمانی ۱۵ دقیقه‌ی مفقود، تطابق داشت.

Perich گفت: “این مورد نشان می‌دهد در قشر پیش حرکتی، امری در حال وقوع است: null projection ممکن است محاسبه یا پردازش خطا را خود برعهده بگیرد، و نهایتا به قشر حرکتی بگوید که چه چیزی انجام دهد.”

این حقیقت که این تغییرات کوتاه مدت نیازمند تغییرات فیزیکی در مغز نیستند، ممکن است تکامل تعاملات مغز- کامپیوتر (ارتباطات لفظی با مغز که مواردی مانند کنترل اندامهای مصنوعی را انجام می‌دهد) را ساده‌تر سازد.

Perich اذعان داشت: “این ساختار به طرز شگفت انگیزی، پایدار است. اکنون که فهم اساسی بیشتری از چگونگی این فرآیند در دست داریم، امیدواریم روشی برای وارد کردن این یافته‌ها به تعاملات (مغز- کامپیوتر) بیابیم.”

طبق ادعای Miller، مطالعات بیشتری برای فهم کامل اینکه چگونه null projections برای تنظیم فعالیت حرکتی مورد استفاده قرار می‌گیرند، مورد نیاز است.

Miller گفت: “رمزگشاهای ما باید برای بررسی فعالیت null، به اندازه کافی زیرک باشند و مطمئن شوند این فعالیت باعث حرکت بازو یا انجام امری که انتظار انجام آن نمی‌رود، نمی‌شود.”

در مطالعه مرتبط دیگری که در Nature Communications منتشر شده‌است، Miller و همکارانش دریافتند زمانیکه قشر پیش حرکتی با عدم قطعیت در مورد اینکه چگونه حرکت انجام شود، مواجه می‌شود؛ این ناحیه تنها یک “نقشه” کامل آماده می‌کند. این نوع تصمیم گیری و برنامه ریزی پیش از اینکه فعالیت به قشر حرکتی برسد، اتفاق می‌افتد و نشان دهنده نقشی فراتر از اصلاح خطا برای null projections است.

Miller گفت: “این بررسی‌ها، رویکردهای قوی مطالعاتی و آنالیز است که برای احاطه بر تصمیم گیری، برنامه ریزی و انجام حرکت، آغاز کرده‎ایم.”