مدل شناختي ناوبري: تعامل هيپوكمپ و پيش‌پيشاني

A Cognitive Model of Spatial Navigation: Hippocampus and Prefrontal Cortex Interaction

در فيزيولوژي شناختي و علوم اعصاب، حافظه مكاني بخشي از حافظه است كه مسيول ثبت و بازخواني اطلاعات درباره ي اجزاي محيط و جهت گيري و ناوبري است. اعمال شناختي مغز از جمله ناوبري، از طريق فعاليت هاي داراي همبستگي و دنباله اي نواحي مختلف مغز شكل گرفته و اجرا مي شوند. طبق تحقيقات انجام شده، فرآيند ناوبري عمدتا به عملكرد هيپوكمپ و بخش گيجگاهي مياني مرتبط است و بازيابي حافظه مكاني از اين نواحي تحت كنترل ناحيه پيشاني و مشخصا قشر پيش پيشاني مياني انجام مي شود. با توجه به خلا وجود يك مدل شناختي و محاسباتي جامع از فرآيند ناوبري در مسير ياد گرفته شده و مبهم بودن اطلاعات انتقالي بين واحدها و همچنين دور بودن بسياري از مدل هاي ارايه شده با واقعيت آنچه در تبادل اطلاعات در اين فرآيند شناختي در مغز اتفاق مي افتد، در اين مقاله تلاش ما بر ارايه مدلي شناختي از اين فرايند بر اساس رويكردهايي از مفاهيم محاسباتي و با تمركز بر تعامل دوطرفه بين HPC و mPFC بوده است. مدل پيشنهادي مهم ترين نواحي مغزي فعال در ناوبري با استفاده از نقشه شناختي را در خود دارد و بر اساس نحوه عملكرد و تعاملات بين نواحي مختلف مغزي، توصيف هايي را بر مبناي مفاهيم سنكروني بين نوسانگرها ارايه مي كند. در اين مدل بر اساس فرايند سنكروني در انتقال اطلاعات و ماهيت عملكرد مبتني بر قواعد واحد mPFC در كنترل واحدهاي گيجگاهي مياني، ايده استفاده از مجموعه هاي نوروني وندرپل و پايگاه قواعد كنترلي را مطرح نموده ايم. همچنين با تحليل و ارايه شواهد نشان داده ايم كه اين مدل در راستاي توجيه اختلالات عملكردي و شناختي در ناوبري و طراحي و پيش بيني اثر پروتكل هاي درماني و توان بخشي در بيماري هاي مرتبط با اين عملكرد شناختي نظير آلزايمر مي تواند مفيد و كاربردي باشد.

In cognition physiology and neuroscience, spatial memory is responsible for the maintenance and recall of information related to environmental details, orientation, and spatial navigation. The brain’s cognitive functions including navigation are executed through correlated and sequential activities of different regions. According to previous research, navigation is largely related to the activities of the Hippocampus (HPC) and the Medial Temporal Lobe (MTL), and retrieval of spatial memories from these regions is controlled by the frontal region and specifically medial prefrontal cortex (mPFC). In this paper we attempt to provide a navigation cognitive model based on computational concepts focusing on bidirectional interaction between HPC and mPFC. This model is provided considering 1. The lack of a comprehensive cognitive model of navigation on a previously learned path and ambiguities regarding the information transferring between the regions, and 2. Disagreement between available models and the currently known actual information flow occurring within the brain. The model is inclusive of the active brain regions engaged in navigation using the cognitive map. Furthermore, we propose a computational model based on van-der-pol neuron pools and controlling rule-base, which is naturally related to the actual brain activity through the synchrony mechanism for information transfer and the mPFC rule-based control of the medial temporal lobe. Finally, by analyzing and presenting evidence, we have shown that the model can be beneficial and practical for describing cognitive and functional disorders in navigation, also for design and prediction of the outcomes of therapeutic and rehabilitation protocols in diseases related to spatial navigation, such as the Alzheimer’s disease.