مغز انسان در هر ثانیه با سیل عظیمی از داده‌های حسی روبرو می‌شود، اما سازوکار غربالگری این محرک‌ها همچنان رازی پیچیده در علوم اعصاب است. پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا برکلی در یک مطالعه پیش‌چاپ نشان داده‌اند که پردازش بینایی در مغز ممکن است ساختاری پیوسته نداشته باشد و حدود 15 بار در ثانیه میان داده‌های آگاهانه و ورودی‌های پنهان سوئیچ کند. این پدیده گویای آن است که تجربه به ظاهر پیوسته انسان از محیط پیرامون، در واقع حاصل برش‌های زمانی بسیار سریعی است که ورودی‌های مختلف را نمونه‌برداری می‌کنند.
یانیس هسی و دوریس تسائو، دو پژوهشگر ارشد این مطالعه، به دنبال پاسخی برای چگونگی اولویت‌بندی تصاویر دیداری بودند. وقتی چشم‌ها به یک نقطه خیره می‌شوند، جزئیات فراوانی مانند لبه‌های اشیا، تغییرات روشنایی یا حتی تصویر بینی در میدان دید قرار دارند. سیستم عصبی باید بدون درگیر کردن ظرفیت شناختی فرد، اطلاعات غیرضروری را موقتا سرکوب کند تا مانع اضافه بار ذهنی شود.
برای درک بهتر این موضوع، نحوه انجام همزمان چند کار در مغز اهمیت زیادی دارد، زیرا شبکه عصبی باید مسیرهای پردازش را به گونه‌ای سازماندهی کند که تمرکز روی محرک اصلی مختل نشود. دانشمندان تا سال‌ها تصور می‌کردند که ادراک بینایی مانند یک دوربین فیلم‌برداری به صورت جریانی یکپارچه جریان دارد، اما داده‌های تازه نشان می‌دهند که مغز به صورت متناوب میان اطلاعات مهم و سرکوب‌شده نوسان میکند.
این یافته زاویه نگاه پژوهشگران را به مفهوم هوشیاری تغییر می‌دهد. اگر مغز اطلاعات پنهان را به طور کامل نادیده می‌گرفت، موجود زنده توانایی واکنش سریع به تهدیدهای پیرامونی را از دست می‌داد. درک این ریتم زمانی نشان می‌دهد که ورودی‌های دیداری نادیده گرفته‌شده، همواره در مرز بازگشت به آگاهی قرار دارند تا در صورت بروز رویدادی غیرمنتظره، بلافاصله پردازش شوند.
راز نوسان سریع در پردازش بینایی در مغز چیست؟
برای سنجش فرکانس نوسانات دیداری، دانشمندان فعالیت الکتریکی نورون‌ها را در قشر بینایی مغز مورد ارزیابی قرار دادند. در این آزمایش مشخص شد که سلول‌های عصبی به جای پاسخ یکنواخت به یک تصویر، در بازه‌های زمانی حدود 15 هرتز میان دو سیگنال رقیب نوسان می‌کنند. این سرعت بالا به سیستم حسی اجازه می‌دهد که هر دو جریان داده را در دسترس نگه دارد.
تفاوت قابل توجهی میان وضعیت آگاهی و وضعیت سرکوب حسی وجود دارد. زمانی که نورون‌ها در فاز تمرکز آگاهانه قرار می‌گیرند، پاسخ الکتریکی آن‌ها به ویژگی‌های ساختاری تصویر بسیار تیزتر و مشخص‌تر است. در مقابل، هنگامی که سلول‌های عصبی به سمت تصویر سرکوب‌شده حرکت می‌کنند، دامنه سیگنال کاهش می‌یابد ولی هرگز به صفر نمی‌رسد.
این تفاوت در شدت پاسخ، به مغز کمک میکند تا فریم‌های آگاهانه را از پس‌زمینه‌های پنهان تمایز دهد. با این روش، سیستم بینایی مانع از سردرگمی شناختی می‌شود و از تداخل دو تصویر در سطح ادراک جلوگیری میکند. بنابراین فرد تنها یک واقعیت بصری را تجربه میکند، در حالی که لایه‌های زیرین مغز به تحلیل اطلاعات دیگر مشغول هستند.
بررسی‌های فیزیولوژیک نشان می‌دهد که این الگوی زمانی ریشه در تاریخچه تکاملی جانداران دارد. تحلیل مسیر تکامل سیستم بینایی در موجودات زنده ثابت میکند که بقا همواره به تعادل میان تمرکز بر هدف و پایش پیوسته محیط وابسته بوده است. ثبت تناوب 15 هرتزی در سطح سلولی، مکانیسمی زیستی برای حفظ این تعادل حیاتی به شمار می‌رود.
اگر مغز تصویر سرکوب‌شده را کاملا مسدود می‌کرد، فرد در مواجهه با خطرات ناگهانی نابینا می‌شد. برای مثال اگر سنگی به سمت سر پرتاب شود، نمونه‌برداری‌های پنهان به سیستم عصبی هشدار می‌دهند تا تصویر جدید را فورا به کانون آگاهی هدایت کند. این انتقال بدون ایجاد توقف در بینایی فرد روی می‌دهد.
سرکوب فلش دوچشمی چگونه رقابت تصویرها را مشخص میکند؟
پژوهشگران برای ایجاد رقابت ادراکی در مغز از روش شناخته‌شده‌ای به نام سرکوب فلش دوچشمی استفاده کردند. در این تکنیک، دو تصویر متمایز از طریق عینک‌های آناگلیف با فیلترهای رنگی قرمز و فیروزه‌ای به چشمان سوژه تابانده می‌شود. فیلترها موجب می‌شوند هر چشم تنها ورودی اختصاصی خود را دریافت کند و تصویر چشم دیگر را نبیند.
روند آزمایش بدین صورت طراحی شد که ابتدا یک تصویر چهره به یک چشم ارائه گردید تا پردازش اولیه آن در قشر بینایی آغاز شود. سپس در حالی که تصویر نخست هنوز برقرار بود، یک تصویر کاملا متفاوت از چهره‌ای دیگر به طور ناگهانی به چشم مقابل ارائه شد. واکنش سیستم بینایی به این تغییر ناگهانی، محور اصلی مطالعه را تشکیل می‌داد.
با ورود تصویر دوم، قشر مغز ورودی تازه را در اولویت قرار داد و تصویر قبلی را از کانون توجه خارج کرد. در این وضعیت، تصویر اول همچنان بر شبکیه تابیده می‌شد و پیام‌های الکتریکی آن به مغز می‌رسید، اما ادراک فرد نسبت به آن متوقف شده بود. این تفکیک آزمایشگاهی فرصت مناسبی برای مشاهده نبرد سیگنال‌های بینایی پدید آورد.
از آنجا که حیوانات قادر به توصیف کلامی تجربه ادراکی خود نیستند، پژوهشگران ابتدا این پروتکل را روی داوطلبان انسانی اجرا کردند. گزارش‌های ارائه‌شده از سوی افراد تایید کرد که تصویر جدید، دیدگاه قبلی را به طور کامل سرکوب میکند. پس از تایید این سازوکار رفتاری در انسان، روند ثبت عصبی روی مدل‌های حیوانی پیاده‌سازی شد.
محققان با کاشت الکترودهای بسیار باریک در بخش‌های اختصاصی تشخیص چهره در مغز دو میمون ماکاک، پاسخ‌های تک‌نورونی را ثبت کردند. این الکترودها نشان دادند که حتی زمانی که میمون طبق آزمایش انسانی تنها یک چهره را می‌بیند، نورون‌های مغز او با فرکانس 15 بار در ثانیه میان تصویر مسلط و تصویر سرکوب‌شده جابجا می‌شوند.
مرزهای علمی مقاله بیوآرکایو و چالش های پیش رو
با وجود اهمیت این آزمایش در روشن ساختن ابعاد زمانی ادراک، مرزهای علمی این پژوهش باید به دقت تبیین شود. این دستاورد در پایگاه بیوآرکایو به عنوان نسخه پیش‌چاپ انتشار یافته و فرآیند داوری همتایان را در مجلات علمی رسمی پشت سر نگذاشته است. نسخه‌های پیش‌چاپ بستری برای تبادل دیدگاه‌های علمی هستند و نتایج آن‌ها نباید قطعی تلقی شود.
محدودیت تجربی دیگر، جامعه آماری کوچک این پژوهش است که تنها بر دو میمون ماکاک تمرکز داشت. گرچه ثبت سیگنال‌های الکتروفیزیولوژی در مغز پستانداران دقت مکانی و زمانی فوق‌العاده‌ای به دانشمندان می‌دهد، اما تعمیم این الگو به ساختار مغز انسان نیازمند تکرار آزمایش در مقیاس وسیع‌تر است. همچنین ادراک آگاهانه میمون‌ها به طور مستقیم ثبت نشده و بر پایه رفتار انسان‌ها شبیه‌سازی شده است.
مسئله بعدی، دامنه ثبت داده‌ها در قشر مخ است. در این تحقیق، الکترودها تنها در نواحی درگیر در شناسایی چهره کاشته شده بودند. هنوز شواهد تجربی کافی وجود ندارد که اثبات کند نوسان 15 هرتزی در سایر بخش‌های حسی نظیر قشر شنوایی، لمسی یا نواحی پردازش حرکتی نیز با همین فرکانس جریان دارد.
پرسش بنیادین دیگر این است که سیستم عصبی چگونه تصمیم نهایی را برای انتقال یک تصویر به سطح هوشیاری اتخاذ میکند. هنوز مشخص نیست که قشر بینایی بر چه اساسی یک فریم از این نوسانات 15 هرتزی را برای تجربه زیسته انتخاب میکند و فریم دیگر را پنهان نگه می‌دارد. پاسخ به این ابهام نیازمند بررسی ارتباط میان قشر پس‌سری و قشر پیش‌پیشانی مغز است.
این رویکرد زمانی در درک عملکرد مغز می‌تواند به اصلاح الگوریتم‌های پردازش تصویر در سامانه‌های بینایی ماشین منجر شود. در حال حاضر مدل‌های بینایی رایانه‌ای تمام فریم‌ها را به صورت مداوم تحلیل می‌کنند که مصرف توان محاسباتی را به شدت بالا می‌برد. استفاده از نمونه‌برداری متناوب می‌تواند مسیر توسعه پردازنده‌های کم‌مصرف عصبی را هموار کند.
یافته‌های این مطالعه نشان می‌دهد که ادراک حسی پدیده‌ای پویا و لایه‌بندی‌شده است که در کسری از ثانیه تغییر حالت می‌دهد. در صورتی که پژوهش‌های آینده پس از داوری علمی تایید کنند که این نوسانات در کل قشر مغز جریان دارند، دانشمندان ناچار خواهند بود تعاریف کلاسیک از هوشیاری پیوسته را بازنگری کنند و آن را به عنوان برآیند نوسانات گسسته بازتعریف نمایند.
