อพาร์ทเมนท์ใหม่ของคุณอยู่ห่างจากป้ายรถเมล์เพียงไม่กี่ช่วงตึก แต่วันนี้คุณมาสายและเห็นรถเมล์วิ่งผ่านคุณ คุณบุกเข้าไปในการวิ่งเต็มรูปแบบ เป้าหมายของคุณคือขึ้นรถบัสให้เร็วที่สุดแล้วหยุดตรงที่หน้าประตู (ซึ่งไม่เคยอยู่ที่เดิมตรงขอบถนนเลย) เพื่อเข้าไปก่อนจะปิด เพื่อหยุดอย่างรวดเร็วและแม่นยำเพียงพอ การศึกษาใหม่ของ MIT ในหนูพบว่า สมองของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมีสายสัมพันธ์อันชาญฉลาดในการใช้หลักการของแคลคูลัส
บางคนอาจคิดว่าการหยุดส่งเสียงกรี๊ดที่เป้าหมายหลังจากการวิ่งออกนอกลู่นอกทางจะเป็นเรื่องง่ายเหมือนการสะท้อนกลับ แต่การขึ้นรถบัสหรือวิ่งตรงไปยังจุดสังเกตที่มองเห็นได้เพื่อรับรางวัลเป็นเป้าหมายที่เรียนรู้และนำทางด้วยสายตา – กำกับการแสดง ในงานดังกล่าวซึ่งเป็นที่สนใจอย่างมากในห้องทดลองของMriganka Surศาสตราจารย์ด้านประสาทวิทยาของนิวตันในสถาบัน Picower เพื่อการเรียนรู้และความจำที่ MIT การตัดสินใจครั้งสำคัญในการเปลี่ยนจากพฤติกรรมหนึ่ง (วิ่ง) เป็นพฤติกรรมอื่น (หยุด) มาจาก เยื่อหุ้มสมองของสมอง ซึ่งสมองได้รวมเอากฎเกณฑ์ของชีวิตที่เรียนรู้มาเข้ากับข้อมูลทางประสาทสัมผัสเพื่อเป็นแนวทางในการวางแผนและการดำเนินการ
“เป้าหมายคือที่ที่คอร์เทกซ์เข้ามา” Sur อาจารย์ประจำภาควิชาสมองและปัญญาของ MIT กล่าว “ฉันควรหยุดที่ไหนเพื่อบรรลุเป้าหมายในการขึ้นรถบัส”
และนั่นก็เป็นสิ่งที่ซับซ้อนเช่นกัน แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของพฤติกรรมที่ MIT postdoc Elie Adam พัฒนาคาดการณ์ว่าสัญญาณ “หยุด” ที่ส่งตรงจากบริเวณ M2 ของเยื่อหุ้มสมองไปยังส่วนต่างๆ ในก้านสมองของหนู ซึ่งจริงๆ แล้วควบคุมขา จะได้รับการประมวลผลช้าเกินไป
“คุณมี M2 ที่ส่งสัญญาณหยุด แต่เมื่อคุณจำลองมันและศึกษาคณิตศาสตร์ คุณพบว่าสัญญาณนี้โดยตัวมันเองจะไม่เร็วพอที่จะทำให้สัตว์หยุดทันเวลา” อดัม ผู้เขียนคนแรกกล่าว ของบทความใหม่เกี่ยวกับงานวิจัยนี้ซึ่งปรากฏในวารสารCell Reports
แล้วสมองจะเร่งกระบวนการได้อย่างไร? สิ่งที่ Adam, Sur และผู้ร่วมเขียน Taylor Johns ค้นพบก็คือ M2 ส่งสัญญาณไปยังบริเวณที่เป็นสื่อกลางที่เรียกว่า subthalamic nucleus (STN) ซึ่งจะส่งสัญญาณสองสัญญาณออกไปสองเส้นทางที่แยกจากกันซึ่งมาบรรจบกันอีกครั้งในก้านสมอง ทำไม เนื่องจากความแตกต่างที่เกิดจากสัญญาณทั้งสองนี้ หนึ่งตัวยับยั้งและหนึ่งตัวกระตุ้น ที่มาถึงตัวหนึ่งหลังจากอีกสัญญาณหนึ่งเปลี่ยนปัญหาจากการบูรณาการอย่างใดอย่างหนึ่ง ซึ่งเป็นการเพิ่มอินพุตที่ค่อนข้างช้า ไปสู่การสร้างความแตกต่าง ซึ่งเป็นการรับรู้ถึงการเปลี่ยนแปลงโดยตรง การเปลี่ยนแปลงในแคลคูลัสทำให้สัญญาณหยุดเร็วขึ้นมาก
แบบจำลองของอดัมซึ่งใช้ระบบและทฤษฎีการควบคุมจากวิศวกรรม ทำนายความเร็วที่จำเป็นสำหรับการหยุดที่ถูกต้องอย่างแม่นยำ และความแตกต่างนั้นจำเป็นต่อการบรรลุผล แต่ต้องใช้ชุดของการตรวจสอบทางกายวิภาคและการทดลองเพื่อยืนยันการทำนายของแบบจำลอง
อย่างแรก Adam ยืนยันว่า M2 นั้นสร้างกิจกรรมทางประสาทขึ้นอย่างมากก็ต่อเมื่อหนูต้องการจะบรรลุเป้าหมายการฝึกให้หยุดที่จุดสังเกตเท่านั้น เขายังแสดงให้เห็นว่ากำลังส่งสัญญาณผลลัพธ์ไปยัง STN การหยุดอื่น ๆ ด้วยเหตุผลอื่นไม่ได้ใช้เส้นทางนั้น ยิ่งไปกว่านั้น การเปิดใช้งานเส้นทาง M2-STN แบบปลอมๆ ได้บังคับให้หนูหยุด และยับยั้งไม่ให้หนูเหยียบจุดสังเกตบ่อยขึ้น
จากนั้น STN จำเป็นต้องส่งสัญญาณไปยังก้านสมอง โดยเฉพาะนิวเคลียส pedunculopontine (PPN) ในบริเวณหัวรถจักร mesenecephalic แต่เมื่อนักวิทยาศาสตร์มองไปที่กิจกรรมของระบบประสาทที่เริ่มต้นใน M2 และทำให้เกิด PPN อย่างรวดเร็ว พวกเขาเห็นว่าเซลล์ประเภทต่างๆ ใน PPN ตอบสนองด้วยเวลาที่แตกต่างกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ก่อนหยุด เซลล์กระตุ้นทำงานและกิจกรรมของพวกมันสะท้อนความเร็วของสัตว์ในระหว่างการหยุด จากนั้นเมื่อมองไปที่ STN พวกเขาเห็นกิจกรรมสองประเภทที่เพิ่มขึ้นรอบๆ จุดแวะ — แบบหนึ่งช้ากว่าอีกแบบเล็กน้อย — ซึ่งส่งโดยตรงไปยัง PPN ผ่านการกระตุ้นหรือโดยอ้อมผ่าน substantia nigra pars reticulata ผ่านการยับยั้ง ผลลัพธ์สุทธิของการมีปฏิสัมพันธ์ของสัญญาณเหล่านี้ใน PPN คือการยับยั้งที่รุนแรงขึ้นโดยการกระตุ้น
Sur กล่าวว่า “การยับยั้งที่ตามมาด้วยการกระตุ้นสามารถสร้างสัญญาณ [การเปลี่ยนแปลง] ที่คมชัด”
การศึกษาประกบกับเอกสารล่าสุดอื่นๆ การทำงานร่วมกับนักวิจัยของสถาบัน Picower Emery N. Brown เมื่อเร็ว ๆ นี้อดัมได้สร้างแบบจำลอง ใหม่ ว่าการกระตุ้นสมองส่วนลึกใน STN ช่วยแก้ไขปัญหามอเตอร์ที่เกิดจากโรคพาร์กินสันได้อย่างรวดเร็ว และเมื่อปีที่แล้ว สมาชิกของห้องทดลองของ Sur รวมถึง Adam ได้ตีพิมพ์ผลการศึกษา ที่ แสดงให้เห็นว่าเยื่อหุ้มสมองทำหน้าที่แทนที่การตอบสนองที่ฝังลึกของสมองในงานสั่งการด้วยสายตาได้อย่างไร การศึกษาดังกล่าวร่วมกันช่วยให้เข้าใจว่าเยื่อหุ้มสมองสามารถควบคุมพฤติกรรมของมอเตอร์แบบมีสายโดยสัญชาตญาณได้อย่างไร แต่ยังรวมถึงความสำคัญของภูมิภาคที่ลึกกว่าเช่น STN คือการนำพฤติกรรมที่มุ่งเป้าหมายไปใช้อย่างรวดเร็ว การตรวจสอบล่าสุดจากห้องปฏิบัติการอธิบายเรื่องนี้
อดัมคาดการณ์ว่า “เส้นทางไฮเปอร์ไดเร็กต์” ของการสื่อสารแบบคอร์เทกซ์ถึง STN อาจมีบทบาทกว้างกว่าการหยุดการกระทำอย่างรวดเร็ว ซึ่งอาจขยายออกไปนอกเหนือการควบคุมมอเตอร์ไปยังการทำงานของสมองอื่นๆ เช่น การหยุดชะงักและการเปลี่ยนความคิดหรืออารมณ์
มูลนิธิ JPB สถาบันสุขภาพแห่งชาติ และมูลนิธิ Simons Foundation Autism Research Initiative ได้ให้ทุนสนับสนุนการศึกษานี้
