یک نورون منفرد ممکن است به مغز کمک کند آنچه را میبیند تشخیص دهد، آنچه را بدن انجام میدهد پیگیری کند و یک تصمیم را هدایت کند، همه به طور همزمان.
بیشتر نورونها ممکن است بسیار versatile تر از آن چیزی باشند که دانشمندان زمانی فکر میکردند. در یک مطالعه بزرگ منتشر شده در Nature، محققان بیش از ۱۴۰۰۰ نورون منفرد را در ۴۳ ناحیه از قشر مغز موش تحلیل کردند و دریافتند که بیشتر آنها یک کار کاملاً مشخص انجام نمیدهند. در عوض، آنها به ترکیبات متغیری از اطلاعات حسی، حرکت و تصمیمگیری پاسخ میدهند.
این یافتهها حتی قبل از انتشار توجه غیرعادی را به خود جلب کرد و نسخههای اولیه بیش از ۱۱۰۰۰ بار دانلود شدند. این توجه بر یک پرسش اساسی در علوم اعصاب تأکید میکند: آیا نورونها متخصصان اختصاصی هستند یا سلولهای مغزی منفرد میتوانند در فرآیندهای مختلف بسیاری شرکت کنند؟
به نظر میرسد پاسخ به محل قرارگیری نورون بستگی دارد. متخصصان قوی در نواحی حسی اولیه، از جمله مناطقی که اطلاعات بصری را پردازش میکنند، یافت شدند. اما با حرکت سیگنالها به نواحی مغزی درگیر در پردازش پیچیدهتر، نورونها به طور فزایندهای برای طبقهبندی در گروههای عملکردی متمایز دشوار شدند.
در بیشتر قشر مغز، محققان جمعیت متنوعی از نورونهای عمومی یافتند.
«ما باید از این تصویر از مغز به عنوان ماشینی ساخته شده از چرخدندهها دور شویم، با هر چرخدندهای که هدف دقیقی دارد که میتوانیم برچسبی به آن بچسبانیم»، گفت Stefano Fusi، PhD، محقق اصلی در انستیتو زاکرمن کلمبیا، عضو انستیتو علوم مغز کاولی و نویسنده ارشد مقاله. «مغز اینطور کار نمیکند. در عوض، بیشتر نورونها میتوانند تنوع عظیمی از پاسخها را نشان دهند و این میتواند به مغز کمک کند تعداد زیادی از وظایف مختلف را حل کند.»
این کشف یک روش آشنا برای توصیف مغز را به چالش میکشد. دانشمندان اغلب از نورونهایی صحبت میکنند که به چهرهها، مکانها، حرکات یا سایر ویژگیهای خاص پاسخ میدهند. چنین برچسبهایی میتوانند مفید باشند، اما یافتههای جدید نشان میدهد که ممکن است تنها بخشی از آنچه یک سلول انجام میدهد را نشان دهند.
نورونی که در شرایط خاص به یک ویژگی اختصاص داده شده به نظر میرسد ممکن است چندین قطعه اطلاعات دیگر را نیز رمزگذاری کند. فعالیت آن ممکن است منعکسکننده آنچه حیوان میبیند، کدام انتخاب را در نظر دارد، چگونه حرکت میکند و آیا انتظار پاداش دارد باشد.
آن انعطافپذیری میتواند به توضیح اینکه مغز چگونه موقعیتهای جدید را بدون نیاز به یک گروه جداگانه از سلولها برای هر تجربه ممکن مدیریت میکند کمک کند.
اینکه آیا نورونها متخصص هستند یا عمومی «یک سوال قدیمی و مهم است، و یکی که محققان واقعاً نظرات قوی در مورد آن دارند»، گفت Lorenzo Posani، PhD، نویسنده اصلی مشترک مطالعه و محقق اصلی در انستیتو مغز پاریس و CNRS فرانسه. Posani این کار را در حالی که در انستیتو زاکرمن کلمبیا بود انجام داد.
این بحث تا حدی حلنشده باقی مانده است زیرا مقایسه آزمایشهای علوم اعصاب اغلب دشوار است. آزمایشگاههای مختلف ممکن است حیوانات، نواحی مغز، رفتارها یا روشهای ضبط متفاوتی را مطالعه کنند. یک آزمایش ممکن است نورونهایی را نشان دهد که بسیار تخصصی به نظر میرسند، در حالی که آزمایش دیگر سلولهایی را پیدا میکند که به چندین متغیر نامرتبط پاسخ میدهند.
مطالعه جدید با بررسی یک مجموعه داده استاندارد عظیم از International Brain Laboratory آن ناسازگاریها را کاهش داد. ضبطها موشهایی را دنبال میکردند که همان کار تصمیمگیری را انجام میدادند در حالی که محققان نورونهای منفرد را در دهها ناحیه قشری اندازهگیری میکردند.
این به تیم اجازه داد تا فعالیت عصبی را در سراسر قشر مغز در شرایط یکسان مقایسه کند، به جای کنار هم قرار دادن نتایج حاصل از آزمایشهای نامرتبط.
الگو واضح بود. نورونهای نزدیک به ابتدای سلسله مراتب پردازش مغز تمایل به نقشهای مشخصتری داشتند. به عنوان مثال، نورونهای بینایی بیشتر به ویژگیهای حسی خاص به طور مداوم پاسخ میدادند.
در امتداد سلسله مراتب، آن تقسیمبندیهای تمیز تا حد زیادی ناپدید شدند. نورونها متنوعتر شدند و هر سلول به ترکیب متفاوتی از اطلاعات پاسخ میداد. به نظر میرسید قشر مغز تنوع را بر یک سیستم سفت و سخت از انواع سلولی با تعریف محدود ترجیح میدهد.
«ما نمیگوییم که هیچ نورون تخصصی وجود ندارد»، گفت Fusi، که همچنین استاد علوم اعصاب در کالج پزشکان و جراحان Vagelos کلمبیا و عضو مرکز علوم اعصاب نظری کلمبیا است. «ما میگوییم که آنها استثنا هستند. آنها قاعده نیستند.»
با وجود این تنوع، فعالیت تصادفی نبود.
محققان اغلب میتوانستند تعیین کنند که یک نورون از کدام ناحیه مغز آمده است فقط با بررسی پاسخهای آن در طول کار. سلولهای درون همان ناحیه ویژگیهای کلی مشترکی داشتند، حتی اگر نورونهای منفرد به ندرت دقیقاً به همان روش رفتار میکردند.
«برای مثال، این را با نقشههای نظرات رایدهندگان مقایسه کنید»، گفت Posani. «خوشههای واضحی وجود دارد که در آن مردم معمولاً به همان روش رأی میدهند. اما وقتی بزرگنمایی میکنید، ترکیبی از نظرات را میبینید.»
همان اصل در سراسر قشر مغز ظاهر شد. نواحی مغز در سطح جمعیت قابل تشخیص باقی ماندند، اما نورونهای منفرد آنها طیف گستردهای از الگوهای پاسخ را نشان دادند.
محققان همچنین دریافتند که نورونهای منفرد به ندرت دقیقاً به همان روش پاسخ میدهند.
«هر کدام به روش خود versatile هستند»، گفت نویسنده اصلی مشترک مطالعه Shuqi Wang، دانشجوی دکترا در École Polytechnique Fédérale de Lausanne در سوئیس.
این تنوع ممکن است یکی از نقاط قوت مغز باشد. اگر هزاران نورون به طور یکسان پاسخ میدادند، بخش زیادی از فعالیت آنها زائد بود. با رمزگذاری ترکیبات مختلف اطلاعات، یک جمعیت میتواند امکانات بسیار بیشتری را نشان دهد.
حیوانی را در نظر بگیرید که اشیایی را میبیند که از نظر رنگ و شکل متفاوت هستند. برخی نورونها ممکن است عمدتاً به رنگ پاسخ دهند، در حالی که برخی دیگر شکل، حرکت، انتخاب یا ترکیبی از آن متغیرها را منعکس میکنند. با هم، فعالیت آنها میتواند یک دایره قرمز را از یک مربع قرمز، یک دایره سیاه یا بسیاری از امکانات دیگر متمایز کند.
عصبشناسان این الگوهای جمعیتی پیچیده را به عنوان بازنماییهای «high-dimensional» توصیف میکنند. به جای ذخیره هر ویژگی به طور جداگانه، گروههایی از نورونها بسیاری از متغیرهای همپوشان را به طور همزمان رمزگذاری میکنند. این یک کد عصبی انعطافپذیر ایجاد میکند که میتواند موقعیتهای مشابه را از هم جدا کند و از رفتارهای مختلف پشتیبانی کند.
«شما میتوانید این بازنماییهای با ابعاد بالا را برای بسیاری از وظایف مختلف دوباره استفاده کنید»، گفت Fusi.
یک نورون منفرد ممکن است به چندین متغیر پاسخ دهد و فعالیت آن را وقتی به تنهایی مشاهده میشود گیجکننده یا ناسازگار به نظر برساند. اطلاعات اساسی تنها زمانی واضحتر میشود که محققان الگوهای هماهنگ تولید شده توسط جمعیتهای بزرگ سلولها را بررسی کنند.
آن ایده نشاندهنده تغییر از دههها تحقیقی است که اغلب به دنبال نورونهایی با پاسخهای ساده و به راحتی برچسبگذاری شده بود و سلولهایی را که در یک دسته آشکار قرار نمیگرفتند کنار میگذاشت.
Fusi گفت که این زمینه از نظر تاریخی «روی یک نورون در یک زمان تمرکز داشت و همه نورونهایی را که پاسخهایشان قابل درک نبود دور میریخت.»
فعالیت ظاهراً به هم ریخته آن سلولها ممکن است بیمعنی نبوده باشد. ممکن است منعکسکننده شکل غنیتر و سازگارتر از پردازش اطلاعات باشد که محققان با رویکردهای قدیمیتر نمیتوانستند تشخیص دهند.
درک این کد جمعیتی در نهایت میتواند به دانشمندان کمک کند تا بررسی کنند وقتی شبکههای مغزی دچار اختلال میشوند چه چیزی تغییر میکند. اختلالات عصبی و روانپزشکی ممکن است همیشه شامل شکست یک نوع سلول تخصصی منفرد نباشد. برخی ممکن است در عوض زمانی ایجاد شوند که الگوهای در میان گروههای بزرگ نورونهای versatile سازمان، انعطافپذیری یا توانایی خود را برای جداسازی اطلاعات از دست بدهند.
محققان همچنین میخواهند تعیین کنند که آیا نورونها بسته به کار، بین رفتار متخصص و عمومی جابهجا میشوند یا خیر. سلولی که در یک موقعیت به طور گسترده پاسخ میدهد ممکن است زمانی که مغز با تقاضای متفاوتی مواجه میشود نقش محدودتری به خود بگیرد.
«هنوز چیزهای زیادی برای کشف وجود دارد»، گفت Fusi.
مرجع: «بازنماییهای به ندرت طبقهبندیشده، به شدت قابل تفکیک در طول سلسله مراتب قشری» توسط Lorenzo Posani، Shuqi Wang، Samuel P. Muscinelli، Liam Paninski و Stefano Fusi، ۱۵ ژوئیه ۲۰۲۶، Nature. DOI: 10.1038/s41586-026-10668-4
این کار توسط کمکهای مالی از مؤسسات ملی بهداشت (RF1AG080818, U19NS123716)، بنیاد سیمونز، بنیاد کاولی، بنیاد گتسبی (GAT3708) و بنیاد سوارتز تأمین شد. این کار همچنین توسط بودجه ارائه شده توسط بنیاد ملی علوم و توسط دفتر معاون وزیر دفاع (R&E) تحت توافقنامه همکاری PHY-2229929 (مؤسسه NSF AI برای هوش مصنوعی و طبیعی) پشتیبانی میشود. دکتر Posani همچنین توسط کمک هزینه NIH 1K99MH135166-01 پشتیبانی شد.