یک فنجان قهوه را بو کنید. آن را در داخل یا خارج خانه بو کنید، در تابستان یا زمستان. در یک کافی شاپ به همراه کلوچه، در یک پیتزا فروشی به همراه پپرونی، و یا حتی در یک پیتزا فروشی به همراه کلوچه!. قهوه همیشه بوی قهوه می دهد!! چرا بو های دیگر یا عوامل محیطی مختلف مانع تجربه بوییدن رایحه های منحصر به فرد نمی شوند؟ محققان دانشکده مهندسی مک کلوی در دانشگاه واشنگتن برای یافتن پاسخ این مسئله و مکانیسم شگفت انگیز بویایی به بررسی موضوع تحقیقاتی بویایی ملخ ها، پرداختند.
خب حالا داستان چیه؟
رامان و همکارانش سال هاست که با ملخ ها کار می‌کنند و برای طراحی ملخ های قوی در حس بویایی تلاش می کنند. همچنین مغز و رفتار های مربوط به بویایی ملخ ها را زیر نظر دارند. در این راه، آن ها دستاورد های قابل توجهی در درک مکانیسم های موجود در پروسه ی حس بویایی ملخ ها داشته اند.
آن ها برای درک اینکه ملخ چگونه میتواند به طور مداوم بو ها را تشخیص دهد، از ایوان پاولوف راهنمایی گرفتند. مانند سگ های پاولوف، ملخ ها طوری تربیت شدند که بو را با غذا تشخیص دهند و ترجیحشان برگ چمن باشد. پس از یک روز بی غذایی، ملخ در معرض بخاری از هگزانول یا ایزوآمیل استات قرار گرفت، سپس یک برگ چمن به او داده شد. این کار تا شش بار تکرار شد. ملخ یاد گرفت که پس از استشمام “بوی معطر تمرینی” پدی پالپ های خود را در انتظار دریافت یک میان وعده باز کند. درست مانند ما که قهوه را تشخیص میدهیم، ملخ آموزش دیده میتواند بو را تشخیص دهد و اجازه نمیدهد عوامل دیگر مانع این تشخیص شوند.
در این سطح، محققان شروع به بررسی نورون هایی کردند که وقتی ملخ ها در شرایط مختلف در معرض بو قرار میگیرند، تحریک و فعال می شوند.
نحوه انجام تحقیقات
محققان مشاهده کردند که در موقعیت های مختلف، حتی اگر پدی پالپ ملخ ها هر بار باز شود، الگو های بسیار ناهماهنگی از نورون ها فعال می‌شوند. رامان میگوید:” پاسخ های عصبی بسیار متغیر بود. به نظر می رسید که این پاسخ ها از نظر رفتاری با کاری که ملخ ها انجام می‌دادند مغایرت داشت.”
چگونه پاسخ های عصبی متغیر می توانند رفتاری سازگار یا پایدار ایجاد کنند؟ برای بررسی این موضوع، محققان به الگوریتم یادگیری ماشینی روی آوردند. رامان می گوید: “می‌خواستیم ببینیم با توجه به این الگو های پاسخ عصبی متغیر، آیا میتوانیم رفتار ملخ را پیش بینی کنیم؟ پاسخ این بود، بله ما میتوانیم.”تفسیر الگوریتم بسیار ساده بود. در این الگوریتم از دو نوع عملکرد نورون ها استفاده می کنند. نورون های روشن (ON) که با وجود یک بو معطر فعال می شوند. همچنین نورون های خاموشی (OFF) که با وجود یک بو معطر خاموش می‌شوند اما پس از پایان انتشار بو فعال می شوند.
نتیجه تحقیقات
رامان میگوید:” نورون های ON و OFFرا به ترتیب به عنوان “شواهدی برای وجود یک بو” و “شواهدی علیه وجود آن بو” در نظر بگیرید. برای تشخیص وجود یک بو، محققان فقط نیاز داشتند که شواهدی را در تمام نورون های ON اسپایک کنند. همچنین باید شواهد علیه وجود آن بو را کم کنند (یعنی اسپایک را در تمام نورون های OFF اضافه کنند).
رامان می گوید:” ما از اینکه متوجه شدیم، این روش ساده تمام چیزی است که برای تشخیص قوی یک ماده خوشبو نیاز است شگفت زده شدیم.”رامان این فرآیند را به خرید پیراهن تشبیه کرد. فرض کنید فهرستی از ویژگی هایی که به دنبال آن هستید دارید. مانند پارچه ی نخی، آستین های بلند، دکمه دار، رنگ ثابت، شاید یک جیب جلویی برای نگه‌داشتن عینک ها و …
ممکن است خوش شانس باشید و پیراهنی پیدا کنید که دقیقاً همان چیزی باشد که به دنبال آن هستید. اما به طور عمل گرایانه تر، تا زمانی که بسیاری از ویژگی های مورد نظر شما وجود داشته باشد و اکثر ویژگی هایی که معامله شکن هستند وجود نداشته باشند، خرید میکنید. دریافت ویژگی هایی که می خواهید مشابه اطلاعاتی است که توسط نورون های ON منتقل میشود. عدم وجود عوامل منتفی کننده ی معامله شبیه به خاموش کردن نورون های OFF است. در نتیجه پیش بینی اینکه ملخ در انتظار علف، پدی پالپ های خود را باز می کند، شرط مطمئنی است.
منبع
- Materials provided by Washington University in St. Louis. Originally written by Brandie Jefferson. Note: Content may be edited for style and length. Srinath Nizampatnam, Lijun Zhang, Rishabh Chandak, James Li, Baranidharan Raman. Invariant odor recognition with ON-OFF neural ensembles. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022; 119 (2): e2023340118 DOI: 10.1073/pnas.2023340118
مترجم: پرنیا محمدی | تولید محتوا و ویراستار: پرنیا فواکهی
بیشتر بخوانید: بازیابی بینایی پس از سکته مغزی از طریق ژن درمانی
