عملکرد مغز برای حل مسئله چقدر پیچیده است؟

آیا تابه‌حال برایتان پیش آمده است روزنامه در دست بگیرید و جدول‌های بازی با کلمات یا بازی با اعداد (سودوکو) را حل کنید و به این بیندیشید در مغز شما چه می‌گذرد؟ جایی در لابه‌لای میلیاردها سلول عصبی یا نورون در مغز شما، رمزی وجود دارد که اجازه می‌دهد کلمه‌ای را در جدول به‌خاطر بیاورید یا روشی را به شما ارائه می‌دهد تا به‌کمک آن بتوانید اعداد را در جای مناسبی از جدول قرار دهید یا هر پازلی را تکمیل کنید.

باتوجه‌به پیچیدگی مغز، شاید فکر کنید الگوهای بسیار پیچیده و منحصر‌به‌فردی برای انجام هرکاری در مغز وجود دارد؛ اما مطالعه‌ی اخیر نشان می‌دهد این الگوها در مغز بسیار ساده‌تر از آن است که فکر می‌کنیم.

دانشمندان این الگوهای هماهنگ‌شده را الگوها یا مسیرهای شاخه‌ای با بُعد پایین می‌نامند. مسیرهای شاخه‌ای با بُعد پایین شباهت زیادی به اتوبان‌ها و مسیرهای اصلی دارند که هرروز از آن‌ها استفاده می‌کنید تا از خانه به محل کار بروید و از محل کار به خانه بازگردید. بنابراین، حجم عظیمی از ترافیک در این مسیرها رخ می‌دهد؛ بدان معنا که کارآمدترین مسیرها برای رفتن از نقطه A به نقطه B هستند. 

دانشمندان شواهدی در دست دارند که نشان می‌دهد بیشتر فعالیت مغز در همین الگوها رخ می‌دهد. به زبان ساده‌تر، این الگوها سبب می‌شوند مغز بتواند راحت‌تر از پس حل مسائل بربیاید؛ یعنی بستری دراختیار مغز قرار می‌دهند که با استفاده از آن، مغز آگاه می‌شود مسئله‌ای که با آن مواجه است، ازجمله مسائلی است که با قراردادن در این الگوها حل می‌شود؛ درنتیجه، نیاز نیست انرژی زیادی برای فهم ابتدایی‌ترین عناصر مسئله صرف کند. برای مثال، اگر توپی به‌سمت شما پرتاب شود، مسیرهای شاخه‌ای با بُعد پایین فعال می‌شود و به مغز شما این امکان را می‌دهد در ماهیچه‌ها هماهنگی لازم را ایجاد کند و درنتیجه، حرکات مناسبی برای دریافت توپ شکل می‌دهد. اگر مغز از این توانایی، یعنی مسیرهای شاخه‌ای با بُعد پایین، برخوردار نباشد، باید چگونگی دریافت توپ و هماهنگ‌کردن ماهیچه‌ها را جزءبه‌جزء تحلیل و اجرا کند.

در مطالعه‌ای که به‌تازگی در نشریه‌ی Neuron منتشر شده است، جیمز شاین و همکارانش روی این الگوها تحقیقات بیشتری کرده‌اند. این دانشمندان بیشتر به‌دنبال این موضوع بودند که ببینند آیا این الگوها در فعالیت‌های شناختی بسیار پیچیده‌ی مغز نقش دارند که به تمرکز فراوانی نیازمند هستند. این دانشمندان به‌کمک تصویرسازی تشدید مغناطیسی کارکردی (FMRI) از مغز شرکت‌کنندگان حین حل‌کردن مربع لاتین اسکن‌هایی با وضوح فراوان تهیه کردند. مربع لاتین شبیه جدول بازی با اعداد سودوکو است؛ اما به‌جای اعداد، از اشکال در آن استفاده می‌شود. کسانی که قبلا جدول‌های سودوکو را حل کرده‌اند، می‌دانند حل آن به تمرکز بسیار زیادی احتیاج دارد.

روش حل مربع لاتین بدین‌صورت است که باید در هر ردیف، شکل مناسبی در خانه‌های خالی جدول قرار دهند؛ به‌طوری‌که هر شکل در هر ردیف و هر ستون فقط یک‌بار تکرار شود. در این مطالعه، دانشمندان جداولی در سه سطح مختلف ازلحاظ درجه‌ی دشواری طراحی کردند. درواقع، هرچه درجه‌ی دشواری این جدول‌ها بیشتر می‌شد، به تعداد سطر و ستون آن‌ها هم اضافه می‌شد.

در مطالعه‌ی مذکور، دانشمندان پیش‌بینی می‌کردند حل مربع‌های لاتینی که درجه‌ی دشواری بیشتری دارد، احتمالا سبب شود مسیرهای جدیدی به مسیرهای شاخه‌ای با بُعد پایین افزوده شود. همچنین، زمانی‌که مغز برای حل مسئله‌ای دشوارتر وارد میدان می‌شود، ترافیک بیشتری در این مسیرها را شاهد باشیم. اگر تمثیل اتوبان‌ها را به‌خاطر داشته باشید که در ابتدای این بحث مطرح کردیم، می‌توان پیش‌بینی کرد مغز برای کاهش این ترافیک احتمالا بخشی از این ترافیک سنگین را به خیابان‌های اطراف (مسیرها و الگوهای جایگزین) منتقل کند.

نتایج به‌دست‌آمده از آزمایش نشان داد پیش‌بینی دانشمندان درست بوده است. در این آزمون، مشخص شد حل جداول پیچیده‌تر سبب می‌شود الگوهای انتخابی مغز تغییر کند؛ به‌نحوی که گویی مغز می‌خواهد از ترافیک سنگین جلوگیری کند و برای این‌ کار راه‌های جدیدی را بازمی‌کند. هرچه مسئله پیچیده‌تر و دشوارتر شود، میزان تغییرات الگوها هم بیشتر می‌شود. 

نکته‌ی جالب دیگری که در این مطالعات به‌دست آمد، این بود که با تغییر این الگوها که دراثر افزایش درجه‌ی دشواری مسئله به‌وجود می‌آید، احتمال خطای مغز افزایش می‌یابد؛ یعنی داوطلبان هنگام حل مربع‌های لاتین سخت‌تر، بیشتر خطا می‌کردند. درست مثل اینکه یک روز صبح تصمیم بگیرید به‌جای استفاده از مسیر اصلی، خیابان‌های دیگری را برای رسیدن به محل کار انتخاب کنید. در‌این‌صورت، ممکن است موفق شوید؛ اما این احتمال بیشتر است که خطا کنید و آدرس را اشتباه بروید.

به‌طورکلی، این نتایج حاکی از آن است که شاید فعالیت مغز آن‌قدر پیچیده نباشد که قبلا تصور می‌کردیم. اغلب اوقات مغز از  الگوها و مسیرهای اصلی استفاده می‌کند و حتی هنگامی‌که به خلاقیت بیشتری نیاز دارد، بازهم سعی می‌کند ترافیک را به همان مقصد نهایی هدایت کند. بااین‌همه، همچنان یک پرسش بی‌پاسخ باقی می‌ماند: چگونه مغز به این سطح از هماهنگی دست پیدا می‌کند؟ در پاسخ به این پرسش، یکی از احتمالات این است که انجام این وظیفه به‌عهده‌ی تالاموس است. تالاموس ساختاری در اعماق مغز است؛ ولی تقریبا با تمام بخش‌های مختلف مغز در ارتباط است.

نکته‌ی مهم این است که مدار تالاموس می‌تواند فعالیتی را فیلتر کند که در قشر مغز یا لایه‌ی کورتکس انجام می‌شود. قشر مغز مرکز اصلی پردازش اطلاعات در مغز است؛ بنابراین، می‌توان نتیجه گرفت تالاموس تأثیر بسزایی در ایجاد تمرکز می‌گذارد. شناسایی و رمزگشایی الگوهای فعالیتی تالاموس با استفاده از روش‌های سنتی تصویربرداری کار بسیار دشواری است؛ اما خوشبختانه در این آزمایش، لوکا کوچی و لوک هارن با به‌کارگیری تصویربرداری ام‌آر‌آی با وضوح فراوان و ارائه‌ی جزئیات بیشتر، امکان مطالعه‌ی دقیق‌تری دراختیار دانشمندان قرار داده‌اند. 

اکنون، دانشمندان با اطمینان ادعا می‌کنند ارتباط مشهودی میان فعالیت تالاموس و جریانِ سیلی از اطلاعات در مسیرهای چندشاخه‌ای با بُعد پایین وجود دارد؛ از‌این‌رو، هرگاه پای حل جدول نشستید، به فکر تالاموس مغز خود باشید که می‌کوشد الگوهای چندشاخه‌ای با بُعد پایین را تشکیل دهد. همکاری تالاموس و این الگوها به شما کمک می‌کند بتوانید مسائل را حل کنید.

جیمز شاین و رابینسون فِلو، از دانشگاه سیدنی، این مطالعه را انجام دادند و نتایج آن را در مجله‌ی The Conversation منتشر کردند.