نورون ها می توانند بیش از یک سیگنال را در یک زمان حمل کنند

در روزهای اولیه ارتباطات از راه دور، مهندسان راه هوشمندانه ای برای ارسال چندین تماس تلفنی از طریق سیم تک یک زمان فراهم کردند، این تکنیک به سرعت در بین ارسال قطعات هر پیام تغییر می کند.

تحقیقات جدید از دانشگاه دوک نشان می دهد که نورون های مغز ممکن است یک استراتژی مشابه را داشته باشند.

در یک آزمایش که چگونه میمون ها به صدا پاسخ می دهند، یک گروه از دانشمندان عصبی و آمارگیران دریافتند که یک نورون تنها می تواند اطلاعات را از دو صدای مختلف با تغییر سیگنال مربوط به یک صدا و سیگنال مرتبط با صدای دیگر، کد گذاری کند.

“سوالی که پرسیدیم، چگونه نورون ها در یک زمان اطلاعات مربوط به دو محرک مختلف را در جهان حفظ می کنند؟” جنیفر گرو، استاد گروه روانشناسی و علوم اعصاب، و در بخش نوروبیولوژی در دوک، گفت:

“ما دریافتیم که زمان هایی وجود دارد که یک نورون داده شده به یک محرک و دیگر دوره های زمانی پاسخ می دهد. “به نظر می رسد که آنها می توانند بین هر یک از یکدیگر متناوب شوند.”

نتایج ممکن است توضیح دهد چگونه مغز اطلاعات پیچیده را از دنیای اطراف ما پردازش می کند و همچنین می تواند بینش های برخی از محدودیت های ادراکی و شناختی ما را فراهم کند. این نتایج در 13 ژوئیه در ارتباطات طبیعت منتشر شد .

Groh و تیم او با سوری توکارد، استادیار علوم آماری در دوک، برای کشف، توسعه و کاربرد چندین روش جدید را تجزیه و تحلیل کردند و با داده های تجربی خود، شروع کردند.

اغلب مطالعات رفتار تک نورون را تنها یک محرک در یک زمان بررسی می کنند، درک اینکه چگونه یک نورون به فرد پاسخ می دهد ، وقتی که موضوع یک یادداشت خاص پخش می شود یا یک تصویر واحد را نشان دهد.

اما واقعیت به ندرت خیلی ساده است. مغز ما قادر به پردازش چند محرک در یک زمان است و مانند گوش دادن به یک دوست در مهمانی با بازی موسیقی در پس زمینه، و یا انتخاب وزوز cicada از سمفونی حشرات ترشح می شود.

والریا کاروسو، دانشمند تحقیقاتی در دانشکده روانشناسی و علوم اعصاب، گفت: “واضح نیست که چگونه سلولهای تک سلولی تنها اشیاء کدگذاری شده را می گیرند و سلول های عصبی چندین object را رمزگذاری می کنند.”ما می خواستیم یک مرحله متوسط ​​را فراهم کنیم و به دنبال اینکه نورون ها گروه های کوچکی از اشیا را کد گذاری می کنند.”

برای مسائل پیچیده، مطالعات تک نورون نشان داده است که بسیاری از نورونهای حسی به طور گسترده تنظیم شده اند، به این معنی که هر یک قادر به پاسخ دادن به صداها در طیف وسیعی از فرکانس های مختلف است. برای مثال، همان نورون هایی که توسط صدای دوست شما ایجاد می شود نیز ممکن است توسط یادداشت های مورد علاقه شما ایجاد شود.

” گرو گفت: اگر من یک نورون هستم و قادر به پاسخگویی به هر دو تصویر یک بالش و نیمکت هستم که در آن استراحت می کنم، چگونه مغز نتیجه می گیرد که بالش و نیمکت وجود دارد؟”

در آزمایش، محققان میمون ها را در یک اتاق تاریک نشاندند و آنها را به سمت صدائی که شنیدند، آموزش دادند. محققان یک یا دو صدا را با هر صدایی با فرکانس متفاوت و از مکان های مختلف پخش می کنند.

هنگامی که محققان برای دو صدای با هم بازی می کردند، میمون ها در ابتدا در جهت یک صدا و سپس در جهت صدای دیگر، به این نتیجه رسیدند که میمون ها دو صدای متفاوت را تشخیص دادند.

برای پیدا کردن اینکه چگونه مغز میمون یک بار برای هر کدام کدگذاری شده است، تیم از الکترود ها در کمر به پایین، یک نقطه اصلی در مسیر شنوایی مغز، برای اندازه گیری زاویه های کوچک در میدان الکتریکی محلی ناشی از نئون های شلیک استفاده می کند.

محققان پاسخ واکنش نورونهای تک به صداهای فردی و ترکیب صدا را بررسی کردند. تمرین استاندارد در این زمینه این است که تعداد چندین شاخه را طی یک دوره زمانی را در نظر بگیریم و میانگین تعداد آزمایشات را محاسبه کنیم. اما این روش هرگونه نوسان در فعالیت را مختل می کند که ممکن است نشان دهنده این باشد که نورون ها بین دو محرک مختلف به عقب و جلو تعویض می شوند.

این تیم ترکیبی از روش های آماری پیشرفته را شامل می شود، از جمله یک روش جدید به نام یک مدل فرآیند نقطه پویایی که توسط توکارد و تیمش ساخته شده است، برای استخراج الگوهای دقیق تر از داده ها.

آنها دریافتند که یک نورون تنها می تواند به یک صدا با یک میزان شلیک و یک صدای دوم با سرعت شلیک متفاوت  می تواند پاسخ دهد. هنگامی که هر دو صدا به طور همزمان پخش شدند، به نظر می رسد که بین دو نرخ شلیک تغییر کند. گاهی اوقات این نوسانات به اندازه کافی سریع بود که نورون ها در عرض نیم ثانیه از صدای پخش تغییر می کردند و در موارد دیگر تعویض نیز کندتر بود.

این تیم تجزیه و تحلیل آماری داده ها از آزمایشات انجام شده توسط Winrich Freiwald، استاد علوم اعصاب و رفتار در دانشگاه راکفلر را تکرار کرد. در این آزمایشها، Freiwald میزان شلیک نورونهای تک در ناحیه بصری قشر را در پاسخ به تصاویر یک چهره یا دو چهره بررسی کرد. این تجزیه و تحلیل نشان داد که همان چیدمان سوئیچینگ زمانی بود که دو چهره وجود داشت.

این یافته ها سرنخ هایی را به شرایط دیگر ارائه می دهد که در آن مغز با یک مجموعه محدودی از نورون ها، باید بیش از یک چیز را در یک زمان انجام دهد. به عنوان مثال، حافظه کاری ما تعدادی از چیزهایی که می توان در یک لحظه در ذهنمان نگه دارد، محدود به حدود پنج تا هفت مورد است. محققان معتقدند تحقیقات بیشتری ممکن است به توضیح این محدودیت ها کمک کند در حالیکه این آزمایش ها مستقیما آزمایش حافظه کاری را انجام نمی دهند.

گره گفت: “سیستم حافظه کاری ما کاملا محدود است و هیچ کس واقعا نمی داند چرا.” “شاید این محدودیت ناشی از نوع رفتار دوچرخه سواری باشد، در حالی که در یک زمان کدگذاری یک چیز را می کنید، و در طول یک دوره، تعداد چیزهایی که می توانید نشان دهید، بستگی به این دارد که چه مدت شما نیاز دارید که هر یک را نمایندگی کنید و چگونه سریع می توانید تعویض کنید.