המחשבות שלנו מוגדרות על ידי הידע והתוכניות שלנו, אך הקוגניציה שלנו יכולה להיות גם מהירה וגמישה בטיפול במידע חדש. איך האופי המבוקר היטב ועם זאת הזריז ביותר של הקוגניציה נובע מהאנטומיה של המוח של מיליארדי נוירונים ומעגלים? מחקר חדש של חוקרים ממכון Picower ללמידה וזיכרון ב-MIT מספק עדויות חדשות מניסויים בבעלי חיים, לכך שהתשובה עשויה להיות תיאוריה שנקראת "מחשוב מרחבי".
הוצע לראשונה בשנת 2023 על ידי פיקוור פרופסור ארל ק. מילר ועמיתיו מיקאל לונדקוויסט ופאוול הרמן, תורת המחשוב המרחבית מסבירה כיצד ניתן לארגן נוירונים בקליפת המוח הקדם-מצחית תוך כדי קבוצה תפקודית המסוגלת לבצע את עיבוד המידע הנדרש על ידי משימה קוגניטיבית. יתרה מכך, זה מאפשר לנוירונים להשתתף במספר קבוצות כאלה, שכן שנים של ניסויים הראו כי נוירונים פרה-פרונטליים רבים אכן יכולים להשתתף במספר משימות בו-זמנית. הרעיון הבסיסי של התיאוריה הוא שהמוח מגייס ומארגן "כוחות משימה" אד-הוק של נוירונים על ידי שימוש בגלי מוח בתדר "אלפא" ו-"בטא" (כ-10-30 הרץ) כדי להחיל אותות בקרה על כתמים פיזיים של קליפת המוח הקדם-מצחית. במקום להצטרך לחרוט את עצמם מחדש למעגלים פיזיים חדשים בכל פעם שיש לבצע משימה חדשה, הנוירונים במדבקה מעבדים במקום מידע על ידי מעקב אחר דפוסי העירור והעכבה שנכפים על ידי הגלים.
חשבו על גלי תדר אלפא וביטא כשבלונות שמעצבות מתי והיכן בקליפת המוח הקדם-מצחית קבוצות של נוירונים יכולות לקלוט או לבטא מידע מהחושים, אמר מילר. בדרך זו, הגלים מייצגים את כללי המשימה ויכולים לארגן כיצד הנוירונים "מגבירים" באופן חשמלי כדי לעבד את תוכן המידע הדרוש למשימה.
"הכרה היא כולה ארגון עצמי עצבי בקנה מידה גדול", אמר מילר, מחבר בכיר של המאמר ב ביולוגיה נוכחית וחבר סגל במחלקה למדעי המוח והקוגניציה של MIT. "מחשוב מרחבי מסביר כיצד המוח עושה זאת."
בודק חמש תחזיות
תיאוריה היא רק רעיון. במחקר, המחבר הראשי Zhen Chen וחברים אחרים במעבדה של מילר בהווה ובעבר, העמידו את המחשוב המרחבי במבחן על ידי בחינת האם חמש תחזיות שהוא עושה לגבי פעילות עצבית ודפוסי גלי מוח ניכרו למעשה במדידות שנעשו בקליפת המוח הקדם-מצחית של בעלי חיים כשהם עסוקים בשתי משימות זיכרון עבודה ואחת משימות סיווג. על פני המשימות היו פיסות מידע חושי נפרדות לעיבוד (למשל "ריבוע כחול הופיע על המסך ואחריו משולש ירוק") וכללים שיש לפעול לפיהם (למשל "כאשר צורות חדשות מופיעות על המסך, האם הן תואמות לצורות שראיתי קודם ומופיעות באותו סדר?").
שתי התחזיות הראשונות היו שגלי אלפא וביטא צריכים לייצג בקרות וחוקים של משימות, בעוד שפעילות התוספות של נוירונים צריכה לייצג את התשומות החושיות. כאשר החוקרים ניתחו את קריאות גלי המוח והקפיצות שנאספו על ידי ארבעת מערכי האלקטרודות שהושתלו בקליפת המוח, הם גילו שאכן התחזיות הללו נכונות. קוצים עצביים, אך לא גלי אלפא/ביתא, נשאו מידע חושי. בעוד ששני הקוצים וגם גלי האלפא/ביתא נשאו מידע משימות, הוא היה החזק ביותר בגלים והוא הגיע לשיא בזמנים הרלוונטיים למועד בהם נדרשו כללים לביצוע המשימות.
יש לציין שבמשימת הסיווג שינו החוקרים בכוונה את רמת ההפשטה כדי להפוך את הסיווג לקשה יותר או פחות מבחינה קוגניטיבית. החוקרים ראו שככל שהקושי גדול יותר, עוצמת גל האלפא/ביתא חזקה יותר, מה שהראה עוד שהוא נושא חוקי משימה.
שתי התחזיות הבאות היו שאלפא/ביתא יהיו מאורגנים מרחבית וכי כאשר ואיפה הוא חזק, המידע החושי המיוצג על ידי ספייק ידכא אך היכן ומתי הוא חלש, ספייק יגדל. התחזיות הללו התקיימו גם בנתונים. מתחת לאלקטרודות צ'ן, מילר והצוות יכלו לראות דפוסים מרחביים מובהקים של כוח גל גבוה או נמוך יותר, ובמקום שבו ההספק היה גבוה, המידע החושי בספייק היה נמוך ולהיפך.
לבסוף, אם מחשוב מרחבי תקף, חזו החוקרים, אז ניסוי על ידי כוח ותזמון אלפא/ביתא ניסוי צריך להיות מתאם מדויק עם ביצועי החיות. אין ספק, היו הבדלים משמעותיים באותות בניסויים שבהם החיות ביצעו את המשימות בצורה נכונה לעומת כשעשו טעויות. בפרט, המדידות חזו טעויות עקב בלבול של כללי משימה לעומת מידע חושי. לדוגמה, אי התאמות אלפא/ביתא נוגעות לסדר שבו הופיעו גירויים (ריבוע ראשון ואז משולש) ולא לזהות הגירויים הבודדים (ריבוע או משולש).
תואם לממצאים בבני אדם
על ידי ניסויים בבעלי חיים, החוקרים הצליחו לבצע מדידות ישירות של קוצים עצביים בודדים כמו גם גלי מוח, אך במאמר, הם מציינים שמחקרים אחרים בבני אדם מדווחים על כמה ממצאים דומים. לדוגמה, מחקרים המשתמשים בקריאות גלי מוח לא פולשניות של EEG ו-MEG מראים שבני אדם משתמשים בתנודות אלפא כדי לעכב פעילות באזורים לא רלוונטיים למשימה תחת שליטה מלמעלה למטה וכי נראה כי תנודות אלפא מנהלות פעילות הקשורה למשימה בקליפת המוח הקדם-מצחית.
בעוד מילר אמר שהוא מוצא את התוצאות של המחקר החדש, וההצטלבות שלהם עם מחקרים אנושיים, מעודדים, הוא מודה שעדיין יש צורך בראיות נוספות. לדוגמה, המעבדה שלו הראתה שגלי מוח בדרך כלל אינם דוממים (כמו חבל קפיצה) אלא עוברים על פני אזורים במוח. מחשוב מרחבי צריך להסביר זאת, אמר.
בנוסף לחן ומילר, מחברי העיתון הנוספים הם סקוט ברינקאט, מיקאל לונדקוויסט, רומן לוניס ומליסה וורדן.
המשרד לחקר חיל הים, קרן החופש ביחד ומכון פיקואר ללמידה וזיכרון מימנו את המחקר.
