تقریباً 50 سال پیش، عصبشناسان سلولهایی را در هیپوکامپ مغز کشف کردند که خاطرات مکانهای خاصی را ذخیره میکنند. این سلولها همچنین نقش مهمی در ذخیره خاطرات رویدادها، معروف به خاطرات اپیزودیک دارند. در حالی که مکانیسم نحوه رمزگذاری حافظه فضایی توسط سلول های مکان به خوبی مشخص شده است، این معما باقی مانده است که چگونه آنها خاطرات اپیزودیک را رمزگذاری می کنند.
یک مدل جدید که توسط محققان MIT توسعه یافته است، توضیح می دهد که چگونه این سلول های مکانی می توانند برای ایجاد خاطرات اپیزودیک، حتی زمانی که هیچ جزء فضایی وجود ندارد، به کار گرفته شوند. بر اساس این مدل، سلولهای مکان، همراه با سلولهای شبکهای که در قشر آنتورینال یافت میشوند، بهعنوان داربستی عمل میکنند که میتوان از آن برای تثبیت خاطرات بهعنوان یک سری مرتبط استفاده کرد.
ایلا فیته، استاد علوم مغز و شناختی در MIT، عضو مؤسسه مک گاورن برای تحقیقات مغز MIT، و نویسنده ارشد مطالعه جدید، میگوید: «این مدل، اولین مدل پیشنویس از مدار حافظه اپیزودیک آنتورینال-هیپوکامپ است. این یک پایه برای ساختن و درک ماهیت حافظه اپیزودیک است. این چیزی است که من واقعاً در مورد آن هیجان زده هستم.»
این مدل به طور دقیق چندین ویژگی از سیستم های حافظه بیولوژیکی، از جمله ظرفیت ذخیره سازی بزرگ، تخریب تدریجی خاطرات قدیمی تر و توانایی افرادی که در مسابقات حافظه شرکت می کنند برای ذخیره مقادیر زیادی اطلاعات در "کاخ های حافظه" را بازسازی می کند.
سارتاک چاندرا، محقق علمی MIT و سوگاندا شارما، دکتری 24، نویسندگان اصلی این مطالعه هستند که امروز در مجله Nature منتشر شده است. ریشیدو چودری، استادیار دانشگاه کالیفرنیا در دیویس، نیز یکی از نویسندگان این مقاله است.
یک فهرست از خاطرات
برای رمزگذاری حافظه فضایی، سلول های مکان در هیپوکامپ از نزدیک با سلول های شبکه کار می کنند - نوع خاصی از نورون که در مکان های مختلف زیادی شلیک می کند، به صورت هندسی در یک الگوی منظم از مثلث های تکرار شونده چیده شده اند. در مجموع، جمعیتی از سلول های شبکه، شبکه ای از مثلث ها را تشکیل می دهند که یک فضای فیزیکی را نشان می دهند.
علاوه بر کمک به یادآوری مکان هایی که در آن بوده ایم، این مدارهای هیپوکامپ-آنتورینال نیز به ما در پیمایش مکان های جدید کمک می کنند. از بیماران انسانی، مشخص شده است که این مدارها برای شکلگیری خاطرات اپیزودیک نیز حیاتی هستند، که ممکن است یک جزء فضایی داشته باشند، اما عمدتاً از رویدادهایی مانند نحوه جشن تولد گذشته یا ناهار دیروز شما تشکیل شدهاند.
فیته می گوید: «از مدارهای هیپوکامپ و آنتورینال نه تنها برای حافظه فضایی، بلکه برای حافظه اپیزودیک کلی نیز استفاده می شود. سؤالی که می توانید بپرسید این است که چه ارتباطی بین حافظه فضایی و اپیزودیک وجود دارد که باعث می شود آنها در یک مدار زندگی کنند؟»
دو فرضیه برای توضیح این همپوشانی در عملکرد پیشنهاد شده است. یکی این است که مدار برای ذخیره خاطرات فضایی تخصص یافته است زیرا این نوع خاطرات - به خاطر سپردن اینکه غذا در کجا قرار دارد یا شکارچیان در کجا دیده شده اند - برای بقا مهم هستند. تحت این فرضیه، این مدار خاطرات اپیزودیک را به عنوان یک محصول جانبی حافظه فضایی رمزگذاری می کند.
فرضیه جایگزین این است که مدار برای ذخیره خاطرات اپیزودیک تخصص یافته است، اما حافظه فضایی را نیز رمزگذاری می کند زیرا مکان یکی از جنبه های بسیاری از خاطرات اپیزودیک است.
در این کار، فیته و همکارانش گزینه سوم را پیشنهاد کردند: اینکه ساختار کاشی کاری عجیب سلول های شبکه و تعاملات آنها با هیپوکامپ برای هر دو نوع حافظه - اپیزودیک و فضایی - به یک اندازه مهم است. برای توسعه مدل جدید خود، آنها بر مدل های محاسباتی که آزمایشگاه او در طول دهه گذشته توسعه داده است، تکیه کردند که نحوه رمزگذاری اطلاعات فضایی توسط سلول های شبکه را تقلید می کند.
فیته می گوید: «ما به نقطه ای رسیدیم که احساس می کردم تا حدی مکانیسم های مدار سلول شبکه را درک کرده ایم، بنابراین احساس کردم زمان آن رسیده است که سعی کنیم تعاملات بین سلول های شبکه و مدار بزرگتر که شامل هیپوکامپ می شود را درک کنیم.»
در مدل جدید، محققان این فرضیه را مطرح کردند که سلول های شبکه که با سلول های هیپوکامپ تعامل دارند می توانند به عنوان داربستی برای ذخیره حافظه فضایی یا اپیزودیک عمل کنند. هر الگوی فعال سازی در داخل شبکه یک "چاه" را تعریف می کند و این چاه ها در فواصل منظم از هم قرار گرفته اند. چاه ها محتوای حافظه خاصی را ذخیره نمی کنند، اما هر کدام به عنوان اشاره گر به حافظه خاصی عمل می کنند که در سیناپس های بین هیپوکامپ و قشر حسی ذخیره می شود.
هنگامی که حافظه بعداً از قطعات ناقص فعال می شود، تعاملات سلول شبکه و هیپوکامپ، حالت مدار را به نزدیکترین چاه می برد و حالت در پایین چاه به قسمت مناسب قشر حسی متصل می شود تا جزئیات حافظه را پر کند. قشر حسی بسیار بزرگتر از هیپوکامپ است و می تواند مقادیر زیادی حافظه را ذخیره کند.
فیته می گوید: «از نظر مفهومی، می توانیم هیپوکامپ را به عنوان یک شبکه اشاره گر در نظر بگیریم. این مانند یک فهرست است که می تواند از یک ورودی جزئی الگو تکمیل شود، و آن فهرست سپس به سمت قشر حسی اشاره می کند، جایی که آن ورودی ها در وهله اول تجربه شده اند. داربست حاوی محتوا نیست، بلکه فقط این فهرست از حالات انتزاعی داربست را در خود دارد.»
علاوه بر این، رویدادهایی که به ترتیب رخ می دهند می توانند به هم پیوند داده شوند: هر چاه در شبکه سلولی-هیپوکامپ به طور موثر اطلاعات مورد نیاز برای فعال کردن چاه بعدی را ذخیره می کند و به خاطرات اجازه می دهد به ترتیب درست فراخوانی شوند.
مدل سازی صخره های حافظه و کاخ ها
مدل جدید محققان چندین پدیده مرتبط با حافظه را بسیار دقیق تر از مدل های موجود که بر اساس شبکه های هاپفیلد هستند، بازسازی می کند - نوعی شبکه عصبی که می تواند الگوها را ذخیره و فراخوانی کند.
در حالی که شبکه های هاپفیلد بینشی در مورد چگونگی شکل گیری خاطرات با تقویت اتصالات بین نورون ها ارائه می دهند، آنها به طور کامل نحوه عملکرد حافظه بیولوژیکی را مدل نمی کنند. در مدل های هاپفیلد، هر خاطره با جزئیات کامل فراخوانی می شود تا زمانی که ظرفیت آن پر شود. در آن مرحله، هیچ خاطره جدیدی نمی تواند شکل بگیرد، و بدتر از آن، تلاش برای اضافه کردن خاطرات بیشتر، تمام خاطرات قبلی را پاک می کند. این "صخره حافظه" به طور دقیق تقلید نمی کند که در مغز بیولوژیکی چه اتفاقی می افتد، که تمایل دارد به تدریج جزئیات خاطرات قدیمی تر را فراموش کند در حالی که خاطرات جدید به طور مداوم اضافه می شوند.
مدل جدید MIT یافتههای دههها ضبط سلولهای شبکه و هیپوکامپ در جوندگان را که در حین کاوش و جستجوی حیوانات در محیطهای مختلف ساخته شدهاند، ثبت میکند. همچنین به توضیح مکانیسمهای اساسی یک استراتژی حفظ کردن به نام کاخ حافظه کمک میکند. یکی از وظایف مسابقات حافظه، حفظ توالی کارتهای درهم در یک یا چند دسته کارت است. آنها معمولاً این کار را با اختصاص دادن هر کارت به یک نقطه خاص در یک کاخ حافظه انجام می دهند - خاطره ای از خانه کودکی یا محیط دیگری که به خوبی می شناسند. هنگامی که نیاز به یادآوری کارت ها دارند، به طور ذهنی در خانه قدم می زنند و هر کارت را در جای خود در حین حرکت تجسم می کنند. به طور غیرمستقیم، افزودن بار حافظه مرتبط کردن کارت ها با مکان ها، فراخوانی را قوی تر و مطمئن تر می کند.
مدل محاسباتی تیم MIT توانست چنین وظایفی را به خوبی انجام دهد، که نشان می دهد کاخ های حافظه از استراتژی خود مدار حافظه برای مرتبط کردن ورودی ها با یک داربست در هیپوکامپ استفاده می کنند، اما یک سطح پایین تر: خاطرات طولانی مدت که در قشر حسی بزرگتر بازسازی شده اند. اکنون می توان از آن به عنوان داربستی برای خاطرات جدید استفاده کرد. این امر امکان ذخیره و فراخوانی تعداد بیشتری از موارد را در یک دنباله نسبت به حالت عادی امکان پذیر می کند.
محققان اکنون قصد دارند تا بر اساس مدل خود، بررسی کنند که چگونه خاطرات اپیزودیک میتوانند به حافظه «معنایی» قشری یا حافظه حقایق جدا از زمینه خاصی که در آن به دست آمدهاند (مثلاً پاریس پایتخت فرانسه است)، تبدیل شوند، چگونه اپیزودها تعریف می شوند، و چگونه مدل های حافظه شبیه مغز می توانند در یادگیری ماشین مدرن ادغام شوند.
این تحقیق توسط دفتر تحقیقات دریایی ایالات متحده، بنیاد ملی علوم تحت برنامه هوش قوی، جایزه ARO-MURI، بنیاد سیمونز و مرکز K. Lisa Yang ICoN تامین شده است.