نقش هوش و ارتباطات مغزی در معماری شبکه های عصبی انسان

پژوهش های جدید نشان می دهند که هوش و ارتباطات مغزی به جای وابستگی به یک ناحیه خاص، ریشه در هماهنگی کل سیستم عصبی و الگوهای ارتباطی سراسری دارد که کارایی و انعطاف پذیری ذهن را تعیین می کنند.

دهه هاست که محققان تلاش کرده اند بخش های خاصی از مغز که مسئول هوش انسانی هستن و چگونگی ارتباطات مغزی رو شناسایی کنن. یک تحلیل جدید نشون میده که هوش عمومی بیشتر به هماهنگی کل مغز مربوط میشه تا عملکرد برتر یک ناحیه خاص. دانشمندان با نقشه برداری از هوش و ارتباطات مغزی انسان، یا همون کانکتوم (connectome)، متوجه شدن که الگوهای متمایز ارتباطات سراسری، توانایی شناختی رو پیش بینی می کنن.

این تحقیق نشون میده که تفکر هوشمندانه به یک معماری در سطح کل سیستم متکیه که برای کارایی و انعطاف پذیری بهینه شده. این یافته ها در مجله Nature Communications منتشر شده اند.

درک هوش و ارتباطات مغزی؛ دیدگاه شبکه ای

هوش عمومی نشون دهنده ظرفیت استدلال، یادگیری و حل مسئله در زمینه های مختلف و متفاوته که با علم عملکرد مبتنی بر هدف برای دستیابی به موفقیت در تصمیمات برای دستیابی به موفقیت در وظایف گوناگون پیوند عمیقی دارد. در گذشته، تئوری ها اغلب این ظرفیت رو به شبکه های خاصی نسبت می دادن، مثل نواحی لوب های پیشانی و آهیانه ای که در توجه و حافظه کاری نقش دارن. با اینکه این نواحی در وظایف شناختی درگیر هستن، اما دیدگاه های جدیدتر نشون میدن که اون ها فقط بخشی از یک داستان بزرگترن. این دیدگاه جدید بر اهمیت هوش و ارتباطات مغزی در عملکرد شناختی کلی تاکید دارد.

نظریه علوم اعصاب شبکه ای پیشنهاد می کنه که هوش از توپولوژی سراسری مغز ناشی میشه. این چارچوب بر اهمیت هوش و ارتباطات مغزی از طریق توپولوژی سراسری مغز تاکید دارد و نشان می دهد که سیم کشی فیزیکی مغز و الگوهای فعالیتش در کنار هم کار می کنن.

رمزی آر. ویلکاکس (Ramsey R. Wilcox)، محقق دانشگاه نوتردام، رهبری این مطالعه رو برای آزمایش پیش بینی های خاص این نظریه شبکه ای بر عهده داشت. ویلکاکس با همکاری نویسنده ارشد، آرون کی. باربی (Aron K. Barbey) و همکارانی از دانشگاه ایلینوی و دانشگاه استونی بروک، تلاش کرد تا از مدل های متمرکز فراتر بره. هدف این تیم درک این بود که ساختار فیزیکی مغز چطور فعالیت های عملکردی خودش رو محدود و هدایت می کنه.

در این تصویر می توانید نمایی از الگوهای پیچیده عصبی را مشاهده کنید که چگونگی تعامل نواحی مختلف مغز را به خوبی نمایش می دهد.

این نقشه های بصری به محققان اجازه می دهند تا ظرفیت اتصالات ساختاری را با دقت بیشتری تحلیل کرده و محدودیت های روش های سنتی تصویربرداری را برطرف کنند.

برای بررسی این سوالات، تیم تحقیق از داده های پروژه کانکتوم انسانی استفاده کرد. این مجموعه داده عظیم، تصاویر مغزی و نتایج تست های شناختی 831 بزرگسال جوان سالم رو ارائه داد. محققان همچنین یافته های خودشون رو با استفاده از یک نمونه مستقل شامل 145 شرکت کننده از یک مطالعه جداگانه تایید کردن.

پژوهشگران از روش جدیدی استفاده کردن که دو نوع مختلف از داده های تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) رو با هم ترکیب می کرد. اون ها از MRI وزن دهی شده نفوذی (diffusion-weighted MRI) برای نقشه برداری از مسیرهای ماده سفید ساختاری استفاده کردن که مثل کابل های فیزیکی، نواحی مغز رو به هم وصل می کنن. همزمان، فعالیت های عملکردی مغز در حالت استراحت رو هم تحلیل کردن که الگوهای فعال سازی موزون سلول های مغزی رو اندازه گیری می کنه.

ویلکاکس و همکارانش با ادغام این روش ها، یک مدل مشترک از مغز ساختن. این رویکرد به اون ها اجازه داد تا ظرفیت اتصالات ساختاری رو برای انتقال اطلاعات بر اساس فعالیت های مشاهده شده تخمین بزنن. این مدل محدودیت های اسکن های سنتی رو اصلاح کرد، مثل دشواری در تشخیص فیبرهای متقاطع در ماده سفید مغز.

تیم تحقیق سپس از تکنیک های مدل سازی پیش بینی کننده استفاده کرد تا ببینه آیا این ویژگی های شبکه سراسری می تونن نمره هوش عمومی شرکت کننده رو تخمین بزنن یا نه. نتایج قویا از این ایده حمایت کردن که هوش و ارتباطات مغزی یک پدیده توزیع شده ست. مدل هایی که ارتباطات کل مغز رو در بر می گرفتن، با موفقیت نمرات هوش رو پیش بینی کردن.

در مقابل، مدل هایی که به شبکه های تک و ایزوله متکی بودن، دقت کمتری داشتن. این نشون میده که با وجود اینکه شبکه های خاص نقش هایی دارن، اما تعامل بین اون ها اهمیت اصلی رو داره. پیش بینی کننده ترین اتصالات محدود به یک ناحیه نبودن، بلکه در سراسر قشر مغز پخش شده بودن.

یکی از پیش بینی های خاصی که تیم آزمایش کرد، مربوط به قدرت و طول اتصالات عصبی بود. محققان دریافتن افرادی که نمرات هوش بالاتری داشتن، تمایل داشتن برای ارتباطات دوربرد به «پیوندهای ضعیف» متکی باشن. در علم شبکه، پیوند ضعیف نشان دهنده اتصالیه که از نظر ساختاری متراکم نیست اما مثل پلی بین جوامع جداگانه نورون ها عمل می کنه.

نگهداری از این اتصالات دوربرد و ضعیف نسبت به اتصالات متراکم و قوی، به انرژی کمتری نیاز داره. ضعیف بودن اون ها اجازه میده تا به راحتی توسط فعالیت های عصبی تعدیل بشن. این ویژگی مغز رو سازگارتر می کنه و بهش اجازه میده تا مسیرهای ارتباطی خودش رو در پاسخ به مسائل جدید، به سرعت باز پیکربندی کنه.

این مطالعه نشون داد که در افراد بسیار باهوش، این پیوندهای ضعیفِ پیش بینی کننده، فواصل فیزیکی طولانی تری رو طی می کردن. برعکس، اتصالات قوی در این افراد تمایل به کوتاه تر بودن داشتن. این معماری احتمالا هزینه بالای ارتباطات از راه دور رو با نیاز به یکپارچگی در کل سیستم متعادل می کنه.

یافته کلیدی دیگه مربوط به «کنترل مدال» (modal control) بود. این مفهوم به توانایی نواحی خاص مغز برای هدایت مغز به حالت های فعالیتی که دسترسی بهشون سخته اشاره داره. وظایف شناختی اغلب از مغز می خوان که از الگوهای پیش فرض خودش فاصله بگیره تا بتونه اطلاعات پیچیده رو پردازش کنه.

ویلکاکس و تیمش دریافتن که هوش عمومی با حضور نواحی که کنترل مدال بالایی دارن، ارتباط مثبتی داره. این قطب های کنترلی در مناطقی از مغز قرار داشتن که با عملکردهای اجرایی و پردازش بینایی مرتبط هستن. وجود این گره های تنظیم کننده به مغز اجازه میده تا تعاملات بین شبکه های مختلف رو به طور موثر سازماندهی کنه.

محققان همچنین توپولوژی کلی مغز رو با استفاده از مفهومی به نام «دنیای کوچک» (small-worldness) بررسی کردن. یک شبکه دنیای کوچک شبکه ایه که هم ویژگی های جوامع محلی گره های به هم پیوسته رو داره و هم مسیرهای کوتاهی که اون جوامع رو به هم وصل می کنه. این سازماندهی کارآمده چون اجازه پردازش محلی تخصصی رو میده و در عین حال ارتباطات سریع سراسری رو حفظ می کنه.

تحلیل ها نشون داد شرکت کنندگانی که نمرات هوش بالاتری داشتن، دارای شبکه های مغزی با ویژگی های «دنیای کوچک» بیشتری بودن. مغز اون ها سطوح بالایی از خوشه بندی محلی رو نشون می داد، به این معنی که نواحی نزدیک به هم به شدت به هم متصل بودن. همزمان، اون ها طول مسیر متوسط کوتاهی رو در کل سیستم حفظ می کردن.

این تعادل باعث میشه که اطلاعات در ماژول های محلی گیر نکنه. همچنین تضمین می کنه که مغز به یک شبکه تصادفی و نامنظم تبدیل نشه. یافته ها نشون میدن که انحراف از این تعادل بهینه ممکنه زمینه ساز عملکرد شناختی پایین تر باشه.

محدودیت هایی در این مطالعه وجود داره که باید بهشون توجه کرد. این تحقیق بر داده های همبستگی متکیه، بنابراین نمی تونه به طور قطعی ثابت کنه که ساختارهای شبکه خاص باعث هوش بالاتر میشن. این احتمال وجود داره که درگیر شدن در فعالیت های فکری، به مرور زمان سیم کشی مغز رو تغییر بده.

علاوه بر این، مطالعه عمدتا روی بزرگسالان جوان متمرکز بود. تحقیقات آینده باید تعیین کنن که آیا این الگوهای شبکه ای در طول عمر، از دوران کودکی تا سالمندی، صادق هستن یا نه. تیم تحقیق همچنین از تکنیک های مدل سازی خطی استفاده کرد که ممکنه روابط غیرخطی و ظریف تر در داده ها رو نادیده گرفته باشن.

پیامدهای هوش و ارتباطات مغزی برای هوش مصنوعی

این بینش ها در مورد مبنای بیولوژیکی هوش و ارتباطات مغزی انسان، پیامدهایی برای توسعه هوش مصنوعی داره. سیستم های هوش مصنوعی فعلی اغلب در کارهای خاص عالی عمل می کنن اما با انعطاف پذیری گسترده ای که مشخصه تفکر انسانیه، مشکل دارن. درک اینکه چطور مغز انسان از طریق معماری شبکه سراسری به هوش عمومی دست پیدا می کنه، می تونه الهام بخش طراحی های جدید برای سیستم های مصنوعی باشه.

مهندسان با تقلید از تعادل مغز بین تخصص محلی و یکپارچگی سراسری، می تونن هوش مصنوعی بسازن که سازگارتر باشه. تکیه بر اتصالات ضعیف و منعطف برای یکپارچه سازی اطلاعات هم می تونه به عنوان مدلی برای پردازش کارآمد داده ها عمل کنه.

تغییر دیدگاهی که این مطالعه ایجاد کرده، قابل توجهه. این مطالعه اهمیت درک هوش و ارتباطات مغزی را به عنوان یک سیستم یکپارچه و پویا برجسته می کند که در اون الگوی اتصالات، پتانسیل شناختی رو تعیین می کنه.

ویلکاکس و همکارانش شواهد تجربی ارائه دادن که اصول اساسی نظریه علوم اعصاب شبکه ای رو تایید می کنه. کار اون ها نشون میده که هوش و ارتباطات مغزی یک عملکرد محلی نیست، بلکه ویژگی کل کانکتوم هست. با ادامه نقشه برداری علوم اعصاب از این اتصالات، تعریف «باهوش بودن» احتمالا به تکامل خودش ادامه میده.

این مطالعه با عنوان «معماری شبکه ای هوش عمومی در کانکتوم انسان» توسط رمزی آر. ویلکاکس، بابک همتیان، لاو آر. وارشنی و آرون کی. باربی نوشته شده است.

شناخت دقیق نحوه تعامل نواحی مختلف مغز و نقش پیوندهای دوربرد در پردازش اطلاعات، افق های جدیدی را در علم اعصاب گشوده است. این یافته ها نشان می دهند که معماری شبکه سراسری مغز نه تنها عامل کلیدی در هوش عمومی است، بلکه بستری برای نوآوری های آینده در شبیه سازی ذهن انسان فراهم می کند.

Scientists just mapped the brain architecture that underlies human intelligence