سبیل‌هایی که زمزمه می‌کنند

در آزمایش‌های رفتاری، موش‌ها اشیا را تنها با استفاده از صداهای تولید شده توسط سبیل‌های‌شان شناسایی کردند که نشان‌‌دهنده ادغام چند حسی در سیستم ادراک مغز آنهاست. این یافته‌ها می‌توانند الهام‌بخش مسیرهای جدیدی در رباتیک، توانبخشی حسی و تحقیقات مغز باشند.
موش‌ها که در مکان‌های تاریک لانه می‌کنند و حس بینایی محدودی دارند، برای جهت‌یابی و تشخیص اشیای پیرامونی، سبیل‌های خود را به محیط اطراف‌شان می‌مالند. این رفتار که «روفتن» نامیده می‌شود، به‌طور سنتی صرفا به‌عنوان یک‌عمل لمسی در نظر گرفته می‌شد؛ اما در چند دهه گذشته به‌طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. اکنون محققان موسسه علوم وایزمن، دیدگاهی کاملا جدید و چندحسی از این فرآیند ارائه داده‌اند.
این یافته‌های شگفت‌انگیز که به تازگی در مجله Current Biology منتشر شده است، نشان می‌دهد که وزوز کردن ناشی از روفتن سبب ایجاد اصوات ظریفی می‌شود که در قشر شنوایی موش‌ها رمزگذاری می‌شوند و درک آنها از محیط اطراف‌شان را افزایش می‌دهند.
پروفسور ایلان لمپل، سرپرست تیم پژوهشی از دپارتمان علوم مغز وایزمن، می‌گوید: «سبیل‌ها آن‌قدر ظریف هستند که هیچ‌کس تاکنون به فکر بررسی این موضوع نیفتاده بود که آیا آنها صداهایی تولید می‌کنند که موش‌ها قادر به شنیدن آن باشند یا خیر.»
این مطالعه نگاهی منحصربه‌فرد نسبت به پیچیدگی ادراک طبیعی ارائه می‌دهد، که معمولا شامل ورودی از حواس چندگانه، در این مورد ارتباط لامسه و شنوایی است. 

چگونگی آزمایش
پژوهشگران کار خود را با ضبط صداهای ایجاد شده توسط سبیل‌هایی که سطوح مختلف، ازجمله برگ‌های خشک‌شده گل کاغذی و فویل آلومینیومی را بررسی می‌کردند، آغاز کردند.
آنها از میکروفن‌های حساسی استفاده کردند که می‌توانند فرکانس‌های فراصوت را ضبط کنند، فرکانس‌هایی که فراتر از حد بالای محدوده شنوایی انسان هستند. آنها میکروفن‌ها را در فاصله حدود ۲‌سانتی‌متر از منبع صدا قرار دادند، تقریبا به همان فاصله از گوش موش تا سبیل‌هایش.
در مرحله بعد، دانشمندان ضبط‌های کاملا متفاوتی انجام دادند: آنها فعالیت عصبی را در قشر شنوایی موش‌هایی که سبیل‌های خود را به اشیا مختلف می‌مالیدند، اندازه‌گیری کردند. ضبط‌ها نشان داد که شبکه‌های شنوایی موش‌ها به صداهای تولیدشده توسط سبیل‌ها، صرف‌نظر از میزان ظرافت آنها، پاسخ می‌دهند.
وقتی محققان مسیرهایی را که حس لامسه را از سبیل‌ها به مغز منتقل می‌کنند، قطع کردند، قشر شنوایی همچنان به این صداها پاسخ داد و نشان داد که موش‌ها می‌توانند آنها را به عنوان یک ورودی حسی جداگانه، مستقل از حس لامسه، پردازش کنند.

بهره‌گیری از هوش مصنوعی 
بااین‌حال، این واقعیت که سیستم شنوایی موش به صداهای خاصی پاسخ می‌دهد، لزوما به این معنی نیست که موش‌ها از آنها برای حس‌کردن استفاده می‌کنند و می‌توانند اشیا را از طریق این صداها تشخیص دهند. برای بررسی این موضوع، محققان به هوش مصنوعی متوسل شدند.
آنها ابتدا یک مدل یادگیری ماشینی را برای شناسایی اشیا بر اساس فعالیت عصبی ثبت شده از قشر شنوایی موش‌ها آموزش دادند. هوش مصنوعی با موفقیت اشیا صحیح را تنها از فعالیت عصبی شناسایی کرد، که نشان می‌دهد موش‌ها نیز ممکن است بتوانند این نشانه‌ها را به‌طور مشابه تفسیر کنند.
در مرحله بعد، محققان یک مدل یادگیری ماشینی دیگر را برای شناسایی اشیا بر اساس صداهای ضبط شده توسط سبیل‌هایی که این اشیا را بررسی می‌کردند، آموزش دادند.
دو مدل (مدلی که فقط بر اساس فعالیت عصبی آموزش دیده بود و مدلی که بر اساس ضبط صدا آموزش دیده بود) به یک اندازه موفق بودند، که نشان می‌دهد پاسخ‌های عصبی به روفتن مستقیما توسط صداها ایجاد شده است؛ نه توسط سایر اطلاعات حسی، مانند آنچه از بو یا لمس ناشی می‌شود.

پاسخ به پرسش اصلی
این یافته‌ها محققان را به پرسش اصلی مطالعه‌شان سوق داد: آیا موش‌ها می‌توانند اشیا را تنها با استفاده از اصوات تولید شده توسط سبیل‌شان تشخیص دهند؟ برای پرداختن به این موضوع، دانشمندان یک آزمایش رفتاری انجام دادند.
آنها موش‌هایی را که حس لامسه‌شان از بین رفته بود، آموزش دادند تا فویل آلومینیومی را صرفا با صدای تولید شده توسط سبیل‌شان تشخیص دهند. موش‌ها به‌طور مداوم به اصوات پاسخ دادند و آن صداها را به اطلاعات حسی که نشان می‌دادند، مرتبط کردند.
لمپل خلاصه می‌کند: «نتایج ما نشان می‌دهد که شبکه سبیل مغز، به نام سیستم ویبریسا، هنگامی که حیوانات به‌طور فعال محیط اطراف خود را کاوش می‌کنند، به‌صورت یکپارچه و چندوجهی عمل می‌کند.»

او توضیح می‌دهد که این عملکرد چندوجهی ممکن است در طول تکامل برای کمک به موش‌ها در شکار طعمه یا جلوگیری از مواجهه با شکارچیان ایجاد شده باشد. از آنجا که روفتن صداهای بسیار ضعیف‌تری نسبت به راه رفتن ایجاد می‌کند، یک موش می‌تواند به آن تکیه کند.

کاربردها
یافته‌های جدید همچنین ممکن است به نوآوری‌های عملی در فناوری منجر شود. قطر سبیل‌های موش در پایه ۴۰ تا ۸۰ میکرون است و در نوک ۳ تا ۴ میکرون؛ تقریبا مشابه یک موی انسان معمولی. اگر مغز بتواند همزمان اطلاعات حسی را از منابع مختلف پردازش کند، می‌توان از همین اصول در پروتزها، توانبخشی حسی پس از ضربه مغزی یا شاید حتی برای افزایش ادراک در افراد کم‌بینا استفاده کرد.
یکی دیگر از حوزه‌های بالقوه برای نوآوری‌های آینده، رباتیک است. ادغام انواع مختلف ورودی‌های حسی یک چالش بزرگ در طراحی سیستم‌های رباتیک است. سیستم حرکتی مغز موش می‌تواند الهام‌بخش فناوری‌هایی باشد که این چالش را حل‌می‌کنند. تحقیقات جدید نشان می‌دهد که موش‌ها نه‌تنها از حس لامسه، بلکه از صدا نیز برای جهت‌یابی در محیط پیرامونی از طریق حرکت و تکان‌دادن سبیل خود استفاده می‌کنند. این اصوات تولیدشده توسط سبیل‌ها، حتی زمانی که ورودی لمسی مسدود شده باشد، توسط قشر شنوایی پردازش می‌شوند، که نشان می‌دهد موش‌ها می‌توانند آنها را به‌عنوان یک سیگنال حسی جداگانه تفسیر کنند.
در آزمایش‌های رفتاری، موش‌ها اشیا را تنها با استفاده از صداهای تولید شده توسط سبیل‌های‌شان شناسایی کردند که نشان‌‌دهنده ادغام چند حسی در سیستم ادراک مغز آنهاست. این یافته‌ها می‌توانند الهام‌بخش مسیرهای جدیدی در رباتیک، توانبخشی حسی و تحقیقات مغز باشند.
موش‌ها که در مکان‌های تاریک لانه می‌کنند و حس بینایی محدودی دارند، برای جهت‌یابی و تشخیص اشیای پیرامونی، سبیل‌های خود را به محیط اطراف‌شان می‌مالند. این رفتار که «روفتن» نامیده می‌شود، به‌طور سنتی صرفا به‌عنوان یک‌عمل لمسی در نظر گرفته می‌شد؛ اما در چند دهه گذشته به‌طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. اکنون محققان موسسه علوم وایزمن، دیدگاهی کاملا جدید و چندحسی از این فرآیند ارائه داده‌اند.
این یافته‌های شگفت‌انگیز که به تازگی در مجله Current Biology منتشر شده است، نشان می‌دهد که وزوز کردن ناشی از روفتن سبب ایجاد اصوات ظریفی می‌شود که در قشر شنوایی موش‌ها رمزگذاری می‌شوند و درک آنها از محیط اطراف‌شان را افزایش می‌دهند.
پروفسور ایلان لمپل، سرپرست تیم پژوهشی از دپارتمان علوم مغز وایزمن، می‌گوید: «سبیل‌ها آن‌قدر ظریف هستند که هیچ‌کس تاکنون به فکر بررسی این موضوع نیفتاده بود که آیا آنها صداهایی تولید می‌کنند که موش‌ها قادر به شنیدن آن باشند یا خیر.»
این مطالعه نگاهی منحصربه‌فرد نسبت به پیچیدگی ادراک طبیعی ارائه می‌دهد، که معمولا شامل ورودی از حواس چندگانه، در این مورد ارتباط لامسه و شنوایی است. 

چگونگی آزمایش
پژوهشگران کار خود را با ضبط صداهای ایجاد شده توسط سبیل‌هایی که سطوح مختلف، ازجمله برگ‌های خشک‌شده گل کاغذی و فویل آلومینیومی را بررسی می‌کردند، آغاز کردند.
آنها از میکروفن‌های حساسی استفاده کردند که می‌توانند فرکانس‌های فراصوت را ضبط کنند، فرکانس‌هایی که فراتر از حد بالای محدوده شنوایی انسان هستند. آنها میکروفن‌ها را در فاصله حدود ۲‌سانتی‌متر از منبع صدا قرار دادند، تقریبا به همان فاصله از گوش موش تا سبیل‌هایش.
در مرحله بعد، دانشمندان ضبط‌های کاملا متفاوتی انجام دادند: آنها فعالیت عصبی را در قشر شنوایی موش‌هایی که سبیل‌های خود را به اشیا مختلف می‌مالیدند، اندازه‌گیری کردند. ضبط‌ها نشان داد که شبکه‌های شنوایی موش‌ها به صداهای تولیدشده توسط سبیل‌ها، صرف‌نظر از میزان ظرافت آنها، پاسخ می‌دهند.
وقتی محققان مسیرهایی را که حس لامسه را از سبیل‌ها به مغز منتقل می‌کنند، قطع کردند، قشر شنوایی همچنان به این صداها پاسخ داد و نشان داد که موش‌ها می‌توانند آنها را به عنوان یک ورودی حسی جداگانه، مستقل از حس لامسه، پردازش کنند.

بهره‌گیری از هوش مصنوعی 
بااین‌حال، این واقعیت که سیستم شنوایی موش به صداهای خاصی پاسخ می‌دهد، لزوما به این معنی نیست که موش‌ها از آنها برای حس‌کردن استفاده می‌کنند و می‌توانند اشیا را از طریق این صداها تشخیص دهند. برای بررسی این موضوع، محققان به هوش مصنوعی متوسل شدند.
آنها ابتدا یک مدل یادگیری ماشینی را برای شناسایی اشیا بر اساس فعالیت عصبی ثبت شده از قشر شنوایی موش‌ها آموزش دادند. هوش مصنوعی با موفقیت اشیا صحیح را تنها از فعالیت عصبی شناسایی کرد، که نشان می‌دهد موش‌ها نیز ممکن است بتوانند این نشانه‌ها را به‌طور مشابه تفسیر کنند.
در مرحله بعد، محققان یک مدل یادگیری ماشینی دیگر را برای شناسایی اشیا بر اساس صداهای ضبط شده توسط سبیل‌هایی که این اشیا را بررسی می‌کردند، آموزش دادند.
دو مدل (مدلی که فقط بر اساس فعالیت عصبی آموزش دیده بود و مدلی که بر اساس ضبط صدا آموزش دیده بود) به یک اندازه موفق بودند، که نشان می‌دهد پاسخ‌های عصبی به روفتن مستقیما توسط صداها ایجاد شده است؛ نه توسط سایر اطلاعات حسی، مانند آنچه از بو یا لمس ناشی می‌شود.

پاسخ به پرسش اصلی
این یافته‌ها محققان را به پرسش اصلی مطالعه‌شان سوق داد: آیا موش‌ها می‌توانند اشیا را تنها با استفاده از اصوات تولید شده توسط سبیل‌شان تشخیص دهند؟ برای پرداختن به این موضوع، دانشمندان یک آزمایش رفتاری انجام دادند.
آنها موش‌هایی را که حس لامسه‌شان از بین رفته بود، آموزش دادند تا فویل آلومینیومی را صرفا با صدای تولید شده توسط سبیل‌شان تشخیص دهند. موش‌ها به‌طور مداوم به اصوات پاسخ دادند و آن صداها را به اطلاعات حسی که نشان می‌دادند، مرتبط کردند.
لمپل خلاصه می‌کند: «نتایج ما نشان می‌دهد که شبکه سبیل مغز، به نام سیستم ویبریسا، هنگامی که حیوانات به‌طور فعال محیط اطراف خود را کاوش می‌کنند، به‌صورت یکپارچه و چندوجهی عمل می‌کند.»
او توضیح می‌دهد که این عملکرد چندوجهی ممکن است در طول تکامل برای کمک به موش‌ها در شکار طعمه یا جلوگیری از مواجهه با شکارچیان ایجاد شده باشد. از آنجا که روفتن صداهای بسیار ضعیف‌تری نسبت به راه رفتن ایجاد می‌کند، یک موش می‌تواند به آن تکیه کند.

کاربردها
یافته‌های جدید همچنین ممکن است به نوآوری‌های عملی در فناوری منجر شود. قطر سبیل‌های موش در پایه ۴۰ تا ۸۰ میکرون است و در نوک ۳ تا ۴ میکرون؛ تقریبا مشابه یک موی انسان معمولی. اگر مغز بتواند همزمان اطلاعات حسی را از منابع مختلف پردازش کند، می‌توان از همین اصول در پروتزها، توانبخشی حسی پس از ضربه مغزی یا شاید حتی برای افزایش ادراک در افراد کم‌بینا استفاده کرد.
یکی دیگر از حوزه‌های بالقوه برای نوآوری‌های آینده، رباتیک است. ادغام انواع مختلف ورودی‌های حسی یک چالش بزرگ در طراحی سیستم‌های رباتیک است. سیستم حرکتی مغز موش می‌تواند الهام‌بخش فناوری‌هایی باشد که این چالش را حل‌می‌کنند.