پیاده روی در داخل اتاق برای روشن کردن یک چراغ – برای چنین فعالیت ساده و روزمره ای، محاسبات بسیار پیچیده ای توسط مغز انجام می گیرد. زیرا نیاز به تفسیر صحنه، کنترل راه رفتن و برنامه ریزی حرکات آینده مانند حرکت بازو به سمت سوئیچ برق دارد.
دانشمندان علوم اعصاب در مرکز Primate آلمان (DPZ) – پژوهشکده Primate در لایب نیتس در حال بررسی این موضوع هستند که در چه مناطقی از مغز، نحوه برنامه ریزی حرکات برای دستیابی به اهدافی که نیاز به بازو و حرکات پیاده روی دارند، قبل از اجرای آن ها کدگذاری شده اند.
برای این منظور، آنها یک محیط آزمایشی جدید به نام “رسیدن به قفس” ایجاد کرده اند. اولین نتایج با میمون های رزس نشان می دهد که اهداف حرکت از راه دور، در همان مناطق از مغز برای اهداف نزدیک، حتی قبل از شروع راه رفتن حیوان، رمزگذاری می شوند.
این بدان معنی است که اهداف حرکتی، در نزدیکی و دور از بدن، می توانند از همان نواحی مغزی حاصل شوند، مهم نیست که آیا این هدف به پیاده روی نیاز دارد یا خیر. از این یافته ها می توان برای ایجاد رابط های رایانه-مغز که خانه های هوشمند را کنترل می کنند، استفاده کرد.
سیستم عصبی بسیار پیشرفته ما توالی های حرکتی متنوع و هماهنگ را در محیط های پیچیده امکان پذیر می کند. ما فقط هنگامی متوجه می شویم که دیگر نتوانیم اقدامات خاصی را انجام دهیم، مثلاً در نتیجه فلج ناشی از سکته مغزی، که بر زندگی روزمره ما تأثیر می گذارد.
یک رویکرد جدید برای کنترل مجدد بیماری می تواند رابط های مغز و کامپیوتر باشد که قادر به خواندن سیگنال هایی از مغز هستند. چنین سیگنالهایی می توانند به عنوان سیگنالهای کنترل نه تنها برای دستگاههای عصبی، که هدف آنها بهبود مستقیم عملکرد حرکتی از دست رفته است، بلکه برای هر دستگاه رایانه ای مانند تلفن های هوشمند، تبلت ها یا یک خانه هوشمند نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد.
توسعه رابط های مغزی و رایانه ای بر اساس چندین دهه تحقیقات اساسی در مورد برنامه ریزی و کنترل حرکات در قشر مغز انسان و حیوانات بنا شده است. تاکنون دانشمندان چنین آزمایشاتی را برای بررسی برنامه ریزی حرکات کنترل شده دست و بازو برای اهداف نزدیک در دسترس فوری انجام داده اند.
محدودیت های تجربی تاکنون مانع از مطالعه مدارهای عصبی درگیر در برنامه ریزی در حین انجام حرکات بدن شده است، زیرا حیوانات باید در طول ثبت امواج مغزی آزادانه حرکت کنند. مشاهده ترکیبی از حرکات پیاده روی و رسیدن به آن، مثلا در مورد اهداف دوردست، به یک محیط آزمایشی کاملاً جدید نیاز داشت که هنوز در دسترس نبود.
به اصطلاح “Reach Cage” یک محیط آزمایشی فراهم می کند که باعث می شود رفتار حرکات را ثبت و تفسیر کرده و آن را به فعالیت مغزی مرتبط پیوند دهیم در حالی که حیوانات قادر به حرکت آزادانه در شرایط بسیار کنترل شده هستند.
برای آزمایش، دو میمون روسوس برای لمس اهداف نزدیک یا دور از بدنشان آموزش دیدند. برای اهداف دوردست، یک حرکت پیاده روی لازم بود تا هدف در دسترس باشد. نورپردازی اهداف فردی به حیوانات آموزش می داد که هدف از لمس آنها چیست.
با استفاده از چندین دوربین فیلمبرداری، حرکات به صورت سه بعدی با دقت زمانی و مکانی بالا مشاهده شد. برای استخراج خودکار حرکات سر، شانه، آرنج و مچ دست به صورت سه بعدی تصاویر ویدئویی، از الگوریتم های یادگیری عمیق استفاده شد.
به طور همزمان، فعالیت مغز به صورت بی سیم ثبت شد تا حیوانات به هیچ وجه در حرکات خود محدود نشوند. با اندازه گیری فعالیت صدها نورون از 192 الکترود در سه ناحیه مختلف مغز، اکنون می توان نتیجه گرفت که چگونه حرکات به طور موازی برنامه ریزی و اجرا می شوند.
در طول آموزش میمون ها با افزایش اعتماد به نفس حرکات دستیابی و راه رفتن را انجام داده و رفتار خود را بهینه می کردند تا حتی اگر اهداف در مسافت بیشتری قرار بگیرند، به دقت بالایی برسند.
در تجزیه و تحلیل فیلم می توان حرکات را بسیار دقیق ردیابی کرد. سیگنال های ضبط شده بی سیم از مغز چنان دقیق و واضح هستند که می توان فعالیت نورون های فردی را مورد مطالعه و پیوند با رفتار قرار داد.
نتایج نشان می دهد که مناطق برنامه ریزی حرکتی اطلاعات مربوط به فرآیند مغز را در مورد هدف حرکات خاص انجام می دهند، حتی اگر هدف در انتهای اتاق باشد و ابتدا برای رسیدن به آنجا به حرکت کامل بدن لازم باشد.
برای اطلاعات بیشتر به موسسه سلامت مغز دانا مراجعه کنید.
منبع:
German Primate Center – Leibniz Institute for Primate Research
درباره نویسنده
دکتر علی محمد کمالی فارغ التحصیل دکترای تخصصی علوم اعصاب از دانشگاه علوم پزشکی شیراز، بیش از 15 سال است که در زمینه پژوهش، تدریس و فعالیت های اجرایی در حوزه علوم اعصاب فعالیت و تجربه دارد. وی همچنین در ارتقا عملکرد های شناختی با استفاده از نوروتکنولوژی و مطالعات خواب تخصص ویژه ای دارد. او یکی از بنیانگذاران انستیتو سلامت مغز دانا است، (گروهی که سلامت مغز را اولویت جامعه می داند).
دکتر کمالی بیش از 50 مقاله پژوهشی (h-index 13) در مجلات معتبر علمی به چاپ رسانده و در حال حاضر مدیر عامل انستیتو سلامت مغز دانا است. بعلاوه به عنوان پژوهشگر ارشد واحد مغز، شناخت و رفتار دپارتمان علوم اعصاب دانشگاه علوم پزشکی شیراز مشغول فعالیت می باشد. می توانید پژوهش او را در Google Scholar دنبال کنید.
دکتر کمالی علاوه بر تخصص در زمینه علوم اعصاب، سال ها است که به عنوان مدیر اجرایی مجله علوم پزشکی پیشرفته و فناوری های کاربردی (JAMSAT) مشغول به فعالیت است. همچنین به عنوان دبیر اجرایی انجمن علوم اعصاب ایران شاخه فارس فعالیت می کند.