يتم تحديد كمية الدوبامين

هذه هي الطريقة التي يتعلم بها النظام الموجود في جذع الدماغ السلوك الذي سيؤدي إلى النتيجة المرجوة

ميريت سلين

تتعلم الحيوانات باستمرار حقائق الحياة. وهم يعرفون من خلال التجربة أي سلوك يجلب لهم المزيد من الطعام أو النسل وبالتالي يحسن بقائهم أو يعرضهم للحيوانات المفترسة وبالتالي يعرضهم للخطر، وعندما يكونون في ظروف معينة يمكنهم التنبؤ بالسلوك الذي سيأتي بأفضل نتيجة. كيف يفعلون ذلك؟

يعرف الباحثون في مجال الذكاء الاصطناعي كيفية بناء أنظمة مغلقة، والتي باستخدام الأدوات الحسابية تعلم نفسها ماهية الإجراء المطلوب. وهي تعتمد على آلية التعلم المعزز: حيث يتم إجراء مقارنة طوال الوقت بين ما هو متوقع من العالم وما يقدمه. إذا كانت نتيجة الإجراء أفضل من المتوقع، يتم تعزيز نشاط النظام. إذا كانت النتيجة أقل من المتوقع، يقوم النظام بخفض مستوى نشاطه. يقوم مثل هذا النظام بتحديث توقعاته باستمرار، اعتمادًا على ما يحدث.

والسؤال هو ما إذا كان هناك نظام بيولوجي يعمل بشكل مشابه للنظام الحسابي، أي أنه يقارن بشكل مستمر توقعات الحيوان بالنتيجة، ويقوم بتحديث السلوك والتنبؤات وفقًا لذلك. توصل البروفيسور ولفرام شولتز، الذي يعمل مع فريقه في جامعة كامبريدج في إنجلترا، إلى نظرية في عام 1995 مفادها أن النظام البيولوجي المسؤول عن التعلم المعزز موجود بالفعل، وأنه نظام الاتصال العصبي، الذي يعمل من خلال الناقل العصبي الدوبامين. ويعد البروفيسور حجي بيرجمان من قسم علم وظائف الأعضاء في الجامعة العبرية من بين الباحثين الذين يؤيدون هذه النظرية، وفي مقال نشره يوم الخميس الماضي في مجلة "نيرون" عرض سلسلة من التجارب التي تؤكد ذلك.

يشتمل نظام الدوبامين على حوالي نصف مليون خلية عصبية، تقع في جذع الدماغ. ويتم الاتصال بين امتدادات الخلايا العصبية هذه من خلال الناقل العصبي الدوبامين، الذي يُفرز من أحد طرفي امتداد العصب إلى الطرف الآخر عند نقاط الاتصال بينهما (المشابك العصبية). تتدفق ألياف الخلايا العصبية في النظام إلى منطقة أخرى في الدماغ - منطقة العقد القاعدية، ومن هناك إلى القشرة الدماغية. تحدد كمية الدوبامين المفرزة في المشابك العصبية معدل نقل المعلومات. ومن المعروف أن نظام العقد القاعدية والقشرة الدماغية يلعبان دورًا مركزيًا في تنظيم الحركة والسلوك. فنقص الدوبامين يسبب مرض باركنسون، على سبيل المثال، وفائضه يسبب الفصام واضطرابات سلوكية أخرى.

يدعي أنصار نظرية التعلم المعزز أن نظام الدوبامين يعمل مثل النظام الحسابي - فهو ينظم كمية الدوبامين المفرزة وفقا لنتيجة السلوك، وبالتالي تعزيز السلوكيات المرغوبة (والعكس صحيح). ويعتمد فحص النظرية على اختبار نشاط الخلايا العصبية المفرزة للدوبامين في أدمغة الحيوانات عند القيام بسلوك معين. يتم قياس مستوى نشاط الخلايا العصبية بمعدل الإشارات الكهربائية التي "تطلقها". ومع زيادة معدل إطلاق النار، تزداد أيضًا كمية الدوبامين التي يتم إطلاقها.

وجد شولز أن الخلايا المنتجة للدوبامين في دماغ القرد "تطلق" باستمرار ما لا يقل عن 10-5 إشارات في الدقيقة - وهذا هو نشاطها الخلفي. وعندما أعطى القرد العصير (الذي يحبه القرد)، وجد أن معدل إطلاق النار ارتفع إلى 20 إشارة في الدقيقة - أي أن الخلايا "سكبت" المزيد من الدوبامين. وأوضح شولز أنه في هذه الحالة كانت النتيجة أفضل من المتوقع وبالتالي زادت الخلايا من إفراز الدوبامين. وفي الخطوة التالية، قام شولتز بتدريب القرد على أنه بعد ثانيتين من رؤية صورة معينة سيتلقى العصير. وفي الوضع الجديد، استجابت الخلايا المنتجة للدوبامين لدى القرد للصورة وليس للعصير نفسه، وعندما ظهر تم إطلاق الكثير من الدوبامين. عندما أظهر شولتز الصورة للقرد ثم منع العصير، انخفض معدل إطلاق الخلايا المنتجة للدوبامين. وفي هذه الحالة، قال شولتز، إن الخلايا المنتجة للدوبامين أصيبت "بخيبة أمل" من النتيجة، التي كانت أقل من المتوقع.

اتخذ البروفيسور بيرجمان خطوة أخرى إلى الأمام في إثبات النظرية. يقول بيرجمان: "أظهر شولتز أنه في نظام مكون من محفز واحد مجاور لمحفز آخر، يتغير معدل إفراز الدوبامين، وهي حالة تسمى "التكييف الكلاسيكي". "لقد علمنا القرد أنه استجابة لمحفز ما، عليه القيام بعمل ما للحصول على المكافأة، وهو ما يسمى "التكييف الفعال"، وسألنا، هل الدوبامين متورط أيضًا في هذا الموقف الأكثر تعقيدًا."

وفي الدراسة، التي أجريت بدعم من مؤسسة العلوم الوطنية، قام بيرجمان وفريقه بتدريب قرد على الاستجابة لمحفز بصري. تعلم القرد أنه عندما يرى مربعًا، فإنه يعلم أنه إذا اتجه إلى اليمين فإن احتمال حصوله على العصير هو 1:1. عند رؤية المحفز الثاني - دائرة، عرف القرد أنه إذا ذهب إلى اليسار فإن فرص حصوله على العصير تصل إلى 1:4. "عندما رأى القرد المربع عرف أنه إذا قام بالإجراء الصحيح فسوف يحصل على العصير. وهكذا، مباشرة بعد أن رأى المربع، أطلقت خلاياه العصبية كميات كبيرة من الدوبامين، وعندما وصل العصير بعد ثانيتين، لم يعد الدوبامين ينسكب لأن العصير كان مغلفًا،" كما يقول بيرجمان. "على النقيض من ذلك، عندما رأى القرد الدائرة، أطلقت خلاياه العصبية القليل من الدوبامين، لأن إسقاطها كان 1:4 فقط. ولكن إذا حصل بعد ذلك مباشرة على العصير، فإن الكثير من "الدوبامين" ينسكب منه، لأنه كان لديه مفاجأة سارة."

هل الدوبامين هو الوسيط الحقيقي بين تنبؤات القرد والنتيجة؟ وكجزء من التجربة، قدم بيرجمان وفريقه للقرد مجموعة واسعة من فرص الحصول على العصير، مثل فرص 1:2، 1:3، 3:4، وأكثر، واكتشفوا أن إطلاق وكان الدوبامين في كل حالة متوافقاً مع المقدار الذي يتوقع أن يحصل عليه من العصير. يقول بيرجمان: "بقدر ما كانت التوقعات عظيمة، كانت أيضًا عظمة رد الفعل - للأفضل أو للأسوأ".

ويختتم قائلاً: "في هذه الدراسة، توصلنا إلى مزيد من الفهم لدور الدوبامين والعقد القاعدية في السلوك الطبيعي". "ومن المعروف أن الخلايا العصبية التي تفرز الدوبامين والانخفاض الكبير في إفرازه هي، على سبيل المثال، سبب مرض باركنسون. نحن نفترض أنه فقط من خلال فهم النشاط الطبيعي للمناطق المتضررة من المرض، سيكون من الممكن في المستقبل إحراز تقدم في فهم مرض باركنسون.