علوم اعصاب شناختی؛ مسئله آگاهی؛ تغییر پردازش از لایه‌های آگاهانه به لایه‌های ناخودآگاه
دعای مطالعه [ نمایش ]
بِسْمِ الله الرَّحْمنِ الرَّحیمِ
اَللّهُمَّ اَخْرِجْنى مِنْ ظُلُماتِ الْوَهْمِ
خدایا مرا بیرون آور از تاریکىهاى وهم،
وَ اَکْرِمْنى بِنُورِ الْفَهْمِ
و به نور فهم گرامى ام بدار،
اَللّهُمَّ افْتَحْ عَلَیْنا اَبْوابَ رَحْمَتِکَ
خدایا درهاى رحمتت را به روى ما بگشا،
وَانْشُرْ عَلَیْنا خَزائِنَ عُلُومِکَ بِرَحْمَتِکَ یا اَرْحَمَ الرّاحِمینَ
و خزانههاى علومت را بر ما باز کن به امید رحمتت اى مهربانترین مهربانان.
۱۴.۴ The Organizational Architecture of Complex Systems
۱۴.۴ معماری سازمانی سیستم‌های پیچیده
We have seen throughout this book that the vast majority of mental processes happen outside of our conscious awareness. An enormous amount of research in cognitive science clearly shows that we are conscious of only the contents of our mental life, not what generates the contents. For instance, you are conscious of the letters and words on this page and understand what they mean, but are not conscious of the processes that produced your perceptions and comprehension. Thus, when considering conscious processes, it is also necessary to consider how nonconscious and conscious processes interact.
ما در سراسر این کتاب دیدیم که اکثریت قریب به اتفاق فرآیندهای ذهنی خارج از آگاهی خودآگاه ما اتفاق می‌افتند. حجم عظیمی‌از تحقیقات در علوم شناختی به وضوح نشان می‌دهد که ما فقط از محتویات زندگی ذهنی خود آگاه هستیم، نه آنچه که محتوا را تولید می‌کند. به عنوان مثال، شما از حروف و کلمات موجود در این صفحه آگاه هستید و معنای آنها را می‌فهمید، اما از فرآیندهایی که ادراک و درک شما را ایجاد کرده است آگاه نیستید. بنابراین، هنگام در نظر گرفتن فرآیندهای آگاهانه، همچنین لازم است که نحوه تعامل فرآیندهای ناخودآگاه و آگاهانه را نیز در نظر بگیریم.
For the past 50 years, cognitive neuroscientists have been studying the anatomical components of the brain and their functions. The brain, with its 89 billion parts, is a complex system, which is any system that has a large number of interconnected and interacting components. While some behaviors of a complex system may be predictable, many are not. Yet any engineer of complex systems could tell us that there is something missing from cognitive neuroscience’s approach to understanding the brain: Learning about the parts gets you only so far.
در ۵۰ سال گذشته، دانشمندان علوم اعصاب شناختی در حال مطالعه اجزای تشریحی مغز و عملکرد آنها بوده اند. مغز با ۸۹ میلیارد بخش، یک سیستم پیچیده است، یعنی هر سیستمی‌که دارای تعداد زیادی اجزای به هم پیوسته و متقابل باشد. در حالی که برخی از رفتارهای یک سیستم پیچیده ممکن است قابل پیش بینی باشد، بسیاری از آنها قابل پیش بینی نیستند. با این حال، هر مهندس سیستم‌های پیچیده می‌تواند به ما بگوید که چیزی از رویکرد علوم اعصاب شناختی برای درک مغز کم است: یادگیری در مورد این بخش‌ها شما را تا این جا به جایی می‌رساند.
Understanding the organization of the parts is also necessary in order to relate the system’s structure to its function. The organization of the system, also known as its architecture, affects the interactions between the parts. For example, a Harley-Davidson motorcycle has a place to sit, wheels, a windshield, an engine, and a place to store stuff. So does a train. But a Harley is not a train. They may have the same parts, but they have different architectures and functions. Moreover, simply looking at a part in isolation tells us nothing of its function, nor by looking solely at a function can we know the parts that generated it. There is more to the story.
درک سازماندهی قطعات نیز به منظور ارتباط ساختار سیستم با عملکرد آن ضروری است. سازماندهی سیستم که به عنوان معماری آن نیز شناخته می‌شود، بر تعاملات بین قطعات تأثیر می‌گذارد. به عنوان مثال، موتورسیکلت‌هارلی دیویدسون دارای مکانی برای نشستن، چرخ‌ها، شیشه جلو، موتور و مکانی برای نگهداری وسایل است. قطار هم همینطور. اما‌هارلی قطار نیست. ممکن است قطعات یکسانی داشته باشند، اما معماری و عملکرد متفاوتی دارند. علاوه بر این، صرفاً نگاه کردن به یک قطعه به صورت مجزا چیزی از عملکرد آن به ما نمی‌گوید، و نه تنها با نگاه کردن به یک تابع، نمی‌توانیم قطعاتی را که آن را ایجاد کرده‌اند، بشناسیم. داستان چیزهای بیشتری وجود دارد.
Layered Architecture
معماری لایه ای
Architecture is about design within the bounds of constraints. For example, the design of a bridge must take into account the geology and geography of its site; what will be crossing it (pedestrians or semis), how many, and how often; and the materials and cost. In the case of the brain’s architecture, the constraints include energy costs, brain and skull size, and processing speeds. The components of a complex system-whether it is biological (such as the brain) or technological (such as a jumbo jet)—are arranged in a specific manner that enables their functionality and robustness; that is, they have a highly organized architecture.
معماری در مورد طراحی در محدوده محدودیت‌ها است. به عنوان مثال، طراحی یک پل باید زمین شناسی و جغرافیای سایت آن را در نظر بگیرد. چه چیزی از آن عبور خواهد کرد (عابران پیاده یا نیمه‌پیاده)، چند نفر و چند بار. و مواد و هزینه در مورد معماری مغز، محدودیت‌ها شامل هزینه‌های انرژی، اندازه مغز و جمجمه و سرعت پردازش است. اجزای یک سیستم پیچیده – چه بیولوژیکی (مانند مغز) و چه تکنولوژیکی (مانند یک جامبو جت) – به شیوه ای خاص چیده شده اند که عملکرد و استحکام آنها را ممکن می‌سازد. یعنی معماری بسیار سازمان یافته ای دارند.
John Doyle, a professor of control and dynamical systems, electrical engineering, and bioengineering at the California Institute of Technology, makes the point that complexity does not come about by accident in highly organized systems. It arises from design strategies to build things that work efficiently, effectively, and reliably. Such strategies have evolved in biological systems and have been created in technological systems that produce robustness (or, using Darwin’s term, fitness). Doyle notes that “A [property] of a [system] is robust if it is [invariant] with respect to a [set of perturbations]” (Alderson & Doyle, 2010), with the brackets indicating that each of these aspects must be specified. Doyle uses clothing as an example of an easily understood complex system (Doyle & Csete, 2011).
جان دویل، استاد کنترل و سیستم‌های دینامیکی، مهندسی برق و مهندسی زیستی در مؤسسه فناوری کالیفرنیا، به این نکته اشاره می‌کند که پیچیدگی در سیستم‌های بسیار سازمان‌یافته تصادفی به وجود نمی‌آید. این از استراتژی‌های طراحی برای ساخت چیزهایی که کارآمد، موثر و قابل اعتماد کار می‌کنند ناشی می‌شود. چنین استراتژی‌هایی در سیستم‌های بیولوژیکی تکامل یافته‌اند و در سیستم‌های تکنولوژیکی ایجاد شده‌اند که استحکام (یا با استفاده از اصطلاح داروین، تناسب اندام) ایجاد می‌کنند. دویل خاطرنشان می‌کند که “یک [ویژگی] یک [سیستم] در صورتی قوی است که نسبت به [مجموعه ای از اغتشاش] [نامغیر] باشد” (آلدرسون و دویل، ۲۰۱۰)، با براکت‌ها نشان می‌دهد که هر یک از این جنبه‌ها باید مشخص شده است. دویل از لباس به عنوان نمونه ای از یک سیستم پیچیده به راحتی قابل درک استفاده می‌کند (دویل و سیت، ۲۰۱۱).
Let’s say you are going camping where the temperature is cold at night and warm during the day. The complex system that we will consider is your camping outfit. It is a layered system consisting of an underwear layer, a comfort layer, and a warmth layer. Each layer has a specific function. Each piece of clothing itself is made from materials with a layered architecture: the fiber layer, spun into the thread or yarn layer, woven into the cloth layer. The materials have physical and chemical properties at the microscopic level that affect their weave, elasticity, water resistance, breathability, UV protection, and even insect repulsion that you take into account as you assemble your layered outfit.
فرض کنید در حال کمپینگ هستید که در آن دما در شب سرد و در روز گرم است. سیستم پیچیده ای که ما در نظر خواهیم گرفت، لباس کمپینگ شما است. این یک سیستم لایه ای است که از یک لایه لباس زیر، یک لایه راحتی و یک لایه گرما تشکیل شده است. هر لایه عملکرد خاصی دارد. هر تکه لباس خود از موادی با معماری لایه‌ای ساخته شده است: لایه الیافی که در لایه نخ یا نخ ریسیده شده و در لایه پارچه بافته می‌شود. این مواد دارای خواص فیزیکی و شیمیایی در سطح میکروسکوپی هستند که بر بافت، کشش، مقاومت در برابر آب، تنفس، محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش و حتی دفع حشرات تأثیر می‌گذارد که هنگام مونتاژ لباس لایه‌ای خود به آن توجه می‌کنید.
What would be a robust choice for the warmth layer? How about a down jacket? Down [property] clothing [system] is a robust choice because it will keep you warm [invariant] when the temperature is cold [the perturbation]. However, if it rains [an unspecified perturbation], down loses its warmth. While down may be robust to cold, it is not robust (hence fragile) to wetness. To make your system robust to wetness, you add another layer, a nylon rain jacket.
یک انتخاب قوی برای لایه گرما چیست؟ یک کت پایین چطور؟ سیستم [سیستم] لباس پایین یک انتخاب قوی است زیرا وقتی دما سرد است [آشفتگی] شما را [غیر متغیر] گرم نگه می‌دارد. با این حال، اگر باران ببارد [یک آشفتگی نامشخص]، پایین گرمای خود را از دست می‌دهد. در حالی که پایین ممکن است در برابر سرما مقاوم باشد، اما در برابر رطوبت مقاوم نیست (از این رو شکننده است). برای اینکه سیستم خود را در برابر رطوبت مقاوم کنید، یک لایه دیگر، یک کت بارانی نایلونی اضافه می‌کنید.
When we add a feature that protects the system from a particular challenge, we add robustness, but also complexity and a new fragility. That rain jacket keeps you dry from rain [an external wetness perturbation] but, while blocking rain, it also traps internal wetness from perspiration [internal wetness perturbation]. It is robust to rain but fragile to sweat. No added feature is robust for all events, and each brings its own fragility. Systems add layers to combat fragilities. The failure of one layer is the condition under which a new one may arise. Robust yet fragile features are a characteristic of highly evolved complex systems.
هنگامی‌که ما یک ویژگی را اضافه می‌کنیم که سیستم را در برابر یک چالش خاص محافظت می‌کند، استحکام، اما همچنین پیچیدگی و شکنندگی جدید را اضافه می‌کنیم. آن ژاکت بارانی شما را از باران خشک نگه می‌دارد [یک آشفتگی رطوبت خارجی]، اما در حالی که باران را مسدود می‌کند، رطوبت داخلی را نیز از تعریق به دام می‌اندازد. در برابر باران قوی است اما در برابر عرق کردن شکننده است. هیچ ویژگی اضافه شده ای برای همه رویدادها قوی نیست و هر کدام شکنندگی خاص خود را به همراه دارد. سیستم‌ها لایه‌هایی را برای مبارزه با شکنندگی اضافه می‌کنند. شکست یک لایه شرایطی است که در آن لایه جدید ممکن است ایجاد شود. ویژگی‌های قوی و در عین حال شکننده از ویژگی‌های سیستم‌های پیچیده بسیار تکامل یافته است.
The fundamental design strategy that evolved in biological systems to increase fitness-a modular, layered architecture has been adopted by designers of technical systems because it promises robustness and functionality. Understanding how the brain is organized into layers will help us understand consciousness. With a modular, layered architecture, multiple types of processing go on simultaneously—that is, “in parallel.” For example, your olfactory system runs independently of the motor system: You don’t have to be standing still to smell bread baking. It is also robust to single-system failures: You can lose your olfactory system, but your motor and visual systems still work, just as you can lose your soft comfort layer, but your underwear layer still works. They run independently in parallel.
استراتژی طراحی اساسی که در سیستم‌های بیولوژیکی برای افزایش تناسب تکامل یافته است – یک معماری مدولار و لایه‌ای توسط طراحان سیستم‌های فنی اتخاذ شده است زیرا نوید استحکام و عملکرد را می‌دهد. درک چگونگی سازماندهی مغز در لایه‌ها به ما در درک آگاهی کمک می‌کند. با معماری ماژولار و لایه ای، چندین نوع پردازش به طور همزمان انجام می‌شود – یعنی “به صورت موازی”. به عنوان مثال، سیستم بویایی شما مستقل از سیستم حرکتی کار می‌کند: برای بوییدن پخت نان لازم نیست ثابت بمانید. همچنین برای خرابی‌های یک سیستم قوی است: شما می‌توانید سیستم بویایی خود را از دست بدهید، اما سیستم‌های حرکتی و بینایی شما همچنان کار می‌کنند، همانطور که می‌توانید لایه راحتی نرم خود را از دست بدهید، اما لایه لباس زیر شما همچنان کار می‌کند. آنها به طور مستقل به صورت موازی اجرا می‌شوند.
The complex system of your brain is a system of systems. Your olfactory, visual, and motor systems are each made up of layers. A layer can be a single module or groups of modules. In a layered architecture, each layer acts independently because it has its own specific protocol that is, rules that stipulate the allowed inter- actions, both within a layer and between adjacent layers. Processing can proceed up a “stack” of layers, with the output from the layer below being passed to the one above. The layer above, in turn, processes the information it receives according to its own specific protocol, which may be similar to or completely different from that of the previous layer, and passes its output up to the next layer in the stack. No layer “knows” what the input to the previous layer was, or what processing occurred, or what the output of the next layer will be. Processing can- not skip a layer in the stack, because the higher layer’s protocol “knows” how to process only input that comes from an adjacent layer.
سیستم پیچیده مغز شما سیستمی‌از سیستم‌هاست. سیستم‌های بویایی، بینایی و حرکتی شما هر کدام از لایه‌هایی تشکیل شده اند. یک لایه می‌تواند یک ماژول یا گروهی از ماژول‌ها باشد. در معماری لایه‌ای، هر لایه به‌طور مستقل عمل می‌کند، زیرا پروتکل خاص خود را دارد، یعنی قوانینی که تعاملات مجاز را، هم در یک لایه و هم بین لایه‌های مجاور، تعیین می‌کنند. پردازش می‌تواند تا یک “پشته” از لایه‌ها ادامه یابد و خروجی از لایه زیر به لایه بالا منتقل شود. لایه بالا به نوبه خود اطلاعاتی را که دریافت می‌کند طبق پروتکل خاص خود که ممکن است مشابه یا کاملاً متفاوت از لایه قبلی باشد پردازش می‌کند و خروجی خود را به لایه بعدی در پشته ارسال می‌کند. هیچ لایه ای “نمی‌داند” ورودی لایه قبلی چیست، یا پردازشی انجام شده است، یا خروجی لایه بعدی چه خواهد بود. پردازش نمی‌تواند یک لایه را در پشته رد کند، زیرا پروتکل لایه بالاتر “می‌داند” چگونه فقط ورودی‌هایی را که از یک لایه مجاور می‌آید پردازش کند.
The processing of each layer is hidden from the next. This phenomenon is called abstraction. Each layer works on a spartan need-to-know basis, and all it needs to know is its own specific protocol. Consider making marinara sauce. Your recipe is the protocol. It tells you how to make the sauce from olive oil, onions, garlic, and tomatoes, but there is nothing in the recipe about growing the vegetables and fruit, picking them, packing them, shipping them, or displaying them in a store, nor anything about making olive oil and so forth. You don’t need to know anything about those processes to make the sauce.
پردازش هر لایه از لایه بعدی پنهان است. این پدیده انتزاع نامیده می‌شود. هر لایه بر اساس نیاز به دانستن اسپارتان کار می‌کند و تنها چیزی که باید بداند پروتکل خاص خودش است. درست کردن سس مارینارا را در نظر بگیرید. دستور پخت شما پروتکل است. این به شما می‌گوید که چگونه سس را از روغن زیتون، پیاز، سیر و گوجه فرنگی درست کنید، اما در دستور غذا چیزی در مورد رشد سبزیجات و میوه‌ها، چیدن آنها، بسته بندی آنها، ارسال آنها، یا نمایش آنها در فروشگاه وجود ندارد. هر چیزی در مورد ساخت روغن زیتون و غیره. برای درست کردن سس نیازی به دانستن این فرآیندها نیست.
Now think of the beauty of this aspect of complex systems. The user of a complex system interacts with only the top layer, which in technical systems is known as the application layer. You can use your smartphone without having any idea of how the processing layers work or even that there are processing layers. You can make the marinara sauce without knowing how to grow the ingredients. If we consider your body as an application layer, you can eat the sauce without knowing how to digest it.
اکنون به زیبایی این جنبه از سیستم‌های پیچیده فکر کنید. کاربر یک سیستم پیچیده تنها با لایه بالایی تعامل دارد که در سیستم‌های فنی به لایه کاربردی معروف است. شما می‌توانید بدون داشتن هیچ ایده ای از نحوه عملکرد لایه‌های پردازش یا حتی وجود لایه‌های پردازشی از گوشی هوشمند خود استفاده کنید. می‌توانید سس مارینارا را بدون دانستن نحوه رشد مواد درست کنید. اگر بدن شما را به عنوان یک لایه کاربردی در نظر بگیریم، می‌توانید سس را بدون اطلاع از نحوه هضم آن بخورید.
FIGURE 14.9 Six levels of abstraction within DNA replication in a biological system.
We can follow a gene from one abstraction level to another, resulting in the phenotype. Layer 1, the lowest layer of this scheme (though there are multiple lower layers extending down to subatomic structures), contains genes (coding sequences) and their organization within the chromosome. Layer 2 contains the expression of the genes into the physical components of RNA and proteins. Layer 3 handles protein-protein interactions and protein- DNA interactions, while layer 4 takes on the functional interactions between the physical elements in layer 3-for example, gastro- intestinal networks or signaling and metabolic pathways. Layer 5 handles the networks involved with a specific biological process. The highest layer, 6, represents phenotypes and relations between them. The relationships described by the protocols that link one layer with its neighbors are different at each level.
شکل ۱۴.۹ شش سطح انتزاع در همانندسازی DNA در یک سیستم بیولوژیکی.
ما می‌توانیم یک ژن را از یک سطح انتزاعی به سطح دیگر دنبال کنیم و در نتیجه فنوتیپ ایجاد شود. لایه ۱، پایین‌ترین لایه این طرح (اگرچه چندین لایه پایینی وجود دارد که تا ساختارهای زیراتمی‌گسترش می‌یابد)، حاوی ژن‌ها (توالی‌های کدکننده) و سازماندهی آنها در کروموزوم است. لایه ۲ حاوی بیان ژن‌ها در اجزای فیزیکی RNA و پروتئین‌ها است. لایه ۳ برهمکنش‌های پروتئین-پروتئین و برهمکنش‌های پروتئین-DNA را انجام می‌دهد، در حالی که لایه ۴ برهمکنش‌های عملکردی بین عناصر فیزیکی در لایه ۳ را انجام می‌دهد – به عنوان مثال، شبکه‌های گوارشی- روده ای یا مسیرهای سیگنالینگ و متابولیک. لایه ۵ شبکه‌های درگیر با یک فرآیند بیولوژیکی خاص را کنترل می‌کند. بالاترین لایه، ۶، نشان دهنده فنوتیپ‌ها و روابط بین آنها است. روابط توصیف شده توسط پروتکل‌هایی که یک لایه را با همسایگانش پیوند می‌دهد در هر سطح متفاوت است.
FIGURE 14.10 Bow tie in a multilayered network.
The layer’s inputs are processed according to the specifications of that layer’s protocol. The processing results are the layer’s output.
شکل ۱۴.۱۰ پاپیون در یک شبکه چند لایه.
ورودی‌های لایه بر اساس مشخصات پروتکل آن لایه پردازش می‌شوند. نتایج پردازش خروجی لایه است.
Likewise, you don’t have to know how your brain works to use its application layer. In fact, for thousands of years people used their brain’s application layer with- out knowing they had a brain! While it is understood that complex biological systems have a layered architecture (Boucher & Jenna, 2013; Figure 14.9), with compositional, interaction, and control layers, not all of their functions and dynamics have been identified yet or appreciated by many in neuroscience.
به همین ترتیب، لازم نیست بدانید مغزتان چگونه کار می‌کند تا از لایه کاربردی آن استفاده کنید. در واقع، برای هزاران سال مردم بدون اینکه بدانند مغز دارند از لایه کاربردی مغز خود استفاده می‌کردند! در حالی که مشخص است که سیستم‌های زیستی پیچیده دارای معماری لایه‌ای هستند (بوچر و جنا، ۲۰۱۳؛ شکل ۱۴.۹)، با لایه‌های ترکیبی، تعاملی و کنترلی، همه عملکردها و پویایی‌های آنها هنوز شناسایی نشده‌اند یا توسط بسیاری در علوم اعصاب قدردانی نشده‌اند.
When it comes to understanding the layered architecture of the brain, our most difficult assignment is figuring out the protocols that allow one layer to talk to the next. The protocol is the main constraint on the layer’s processing, but it also allows flexibility. One way the flexibility of these architectural layers has been visualized is as a bow tie with the protocol as the knot, with input funneling into it and output fanning out from it (Friedlander et al., 2015; Figure 14.10).
وقتی نوبت به درک ساختار لایه‌ای مغز می‌رسد، سخت‌ترین وظیفه ما کشف پروتکل‌هایی است که به یک لایه اجازه می‌دهد با لایه بعدی صحبت کند. پروتکل محدودیت اصلی در پردازش لایه است، اما انعطاف پذیری را نیز فراهم می‌کند. یکی از راه‌هایی که انعطاف‌پذیری این لایه‌های معماری تجسم شده است، به‌عنوان یک پاپیون با پروتکل به‌عنوان گره، با قیف ورودی به داخل آن و خروج خروجی از آن است (فریدلندر و همکاران، ۲۰۱۵؛ شکل ۱۴.۱۰).
For example, when you are considering the warmth layer of your complex outfit system, its protocol is “must trap body heat.” The input is huge: everything in your wardrobe. With all those inputs, there are multiple possible outputs satisfying the protocol’s constraint: a sheepskin coat, fleece pants, an alpaca poncho, a down jacket, fiberfill skiing overalls, skydiving coveralls, a faux rabbit-fur jacket with leopard-skin pants, or even a wet suit.
به عنوان مثال، وقتی که دارید لایه گرمایی سیستم لباس پیچیده‌تون رو در نظر می‌گیرید، پروتکل‌اش اینه که “باید گرمای بدن رو حفظ کنه.” ورودی‌ها خیلی زیادن: همه چیز توی کمد لباس‌تون. با این همه ورودی، چندین خروجی ممکن داریم که با الزامات پروتکل مطابقت داره: یک کت از پوست گوسفند، شلوار فلیس، پونچوی آلپاکا، یک ژاکت پر، اورال‌های اسکی با پرکننده الیافی، لباس‌های پرش از آسمان، یک ژاکت مصنوعی از خز خرگوش به همراه شلوار پوست پلنگ، یا حتی یک لباس غواصی.
The protocol could be more specific and add “practical” or “fashionable” as constraints, eliminating some choices. Notice, however, that while the protocol limits the number of outcomes, it does not cause the outcome; there are many possible outcomes. Doyle calls a protocol “a constraint that deconstrains” (Doyle & Csete, 2011). The important thing about a protocol is that it enables selection from variation. Because it allows a layer to evolve and develop robustness to perturbations, this flexibility may be the most important aspect of a layered architecture.
پروتکل می‌تواند خاص تر باشد و “عملی” یا “مد” را به عنوان محدودیت اضافه کند و برخی از انتخاب‌ها را حذف کند. با این حال، توجه داشته باشید که در حالی که پروتکل تعداد نتایج را محدود می‌کند، باعث نتیجه نمی‌شود. نتایج احتمالی زیادی وجود دارد دویل یک پروتکل را «محدودیتی که محدودیت‌زدایی می‌کند» می‌نامد (دویل و سیت، ۲۰۱۱). نکته مهم در مورد پروتکل این است که امکان انتخاب از تنوع را فراهم می‌کند. از آنجا که به یک لایه اجازه می‌دهد تا تکامل یابد و استحکام در برابر اغتشاشات را توسعه دهد، این انعطاف پذیری ممکن است مهم ترین جنبه معماری لایه ای باشد.
Multiple Realizability
تحقق پذیری چندگانه
Understanding that a protocol doesn’t dictate an out- come is important. Neuroscientists who are unaware that they are dealing with a layered system containing protocols assume that they can look at a behavior and predict the neuronal firing pattern-that is, which brain state produced it. But this is not the case, as has been shown by neuroscientist Eve Marder and her colleagues (Prinz et al., 2004).
درک اینکه یک پروتکل نتیجه را تعیین نمی‌کند مهم است. دانشمندان علوم اعصاب که از اینکه با یک سیستم لایه‌ای حاوی پروتکل‌ها سر و کار دارند، نمی‌دانند، تصور می‌کنند که می‌توانند به یک رفتار نگاه کنند و الگوی شلیک عصبی را پیش‌بینی کنند، یعنی حالت مغزی که آن را ایجاد کرده است. اما این مورد نیست، همانطور که توسط عصب شناس ایو ماردر و همکارانش نشان داده شده است (پرینز و همکاران، ۲۰۰۴).
The spiny lobster has a simple nervous system. Marder has spent her career studying the neural underpinnings of the motility patterns of the lobster’s gut (Figure 14.11). She isolated the entire neural network, mapped out every single neuron and synapse, and modeled the synapse dynamics to the level of neurotransmitter effects. From a neural reductionist perspective, which ignores the idea that a layered system has protocol constraints that deconstrain, it should be possible to piece together all of Marder’s input information and describe the exact neuronal output pattern of synapses and neurotransmitters that results in the function of the lobster gut.
خرچنگ اسپینی سیستم عصبی ساده‌ای دارد. ماردر تمام عمرش را صرف مطالعه زیر ساخت‌های عصبی الگوهای حرکتی روده خرچنگ کرده است (شکل ۱۴.۱۱). او تمام شبکه عصبی را جدا کرد، هر نورون و سیناپس را نقشه‌برداری کرد و دینامیک سیناپس‌ها را تا سطح اثرات انتقال‌دهنده‌های عصبی مدل‌سازی کرد. از دیدگاه کاهش‌گرا در علم اعصاب، که ایده‌ای مبنی بر اینکه یک سیستم لایه‌ای محدودیت‌های پروتکل دارد که به آن آزادگی می‌بخشد، را نادیده می‌گیرد، باید امکان‌پذیر باشد که تمام اطلاعات ورودی ماردر را کنار هم قرار بدهیم و الگوی دقیق خروجی نورونی سیناپس‌ها و انتقال‌دهنده‌های عصبی که منجر به عملکرد روده خرچنگ می‌شود را توصیف کنیم.
FIGURE 14.11 The pyloric rhythm and pyloric circuit architecture of the spiny lobster. (a) In the spiny lobster, the stomatogastric ganglion, which has a small number of neurons and a stereotyped motor pattern, produces the pyloric rhythm. The pyloric rhythm has a triphasic motor pattern with bursts occurring first from the anterior burster (AB) neuron electronically coupled to two pyloric dilator (PD) neurons. The next burst is from a lateral pyloric (LP) neuron, followed by a pyloric (PY) neuron. The recordings are done intracellularly from neurons in the stomatogastric ganglion. (b) This schematic presents a simplified version of the underlying circuit. All synapses in the circuit are inhibitory. To generate the 20 million model circuits, the strengths of the seven synapses were varied, and five or six different versions of the neurons in the circuit were used.
شکل ۱۴.۱۱ ریتم پیلور و معماری مدار پیلور خرچنگ خاردار. الف) در خرچنگ خاردار، گانگلیون معده روزنه، که دارای تعداد کمی‌نورون و الگوی حرکتی کلیشه ای است، ریتم پیلور را تولید می‌کند. ریتم پیلور دارای یک الگوی حرکتی سه فازی است با انفجارهایی که ابتدا از نورون انفجاری قدامی(AB) به صورت الکترونیکی به دو نورون گشادکننده پیلور (PD) کوپل شده است. انفجار بعدی از یک نورون پیلور جانبی (LP) و به دنبال آن یک نورون پیلور (PY) است. ضبط به صورت درون سلولی از نورون‌های گانگلیون معده انجام می‌شود. (ب) این شماتیک یک نسخه ساده شده از مدار زیرین را ارائه می‌دهد. تمام سیناپس‌های موجود در مدار مهاری هستند. برای تولید ۲۰ میلیون مدار مدل، قدرت هفت سیناپس متفاوت بود و از پنج یا شش نسخه مختلف از نورون‌های موجود در مدار استفاده شد.
Marder’s laboratory simulated the more than 20 million possible network combinations of synapse strengths and neuron properties for this relatively simple gut nervous system. After modeling all those timing combinations, Marder found that about 1% to 2% of them could lead to the motility pattern observed in nature. Yet even this small number of combinations yields 100,000 to 200,000 different tunings of the nervous system that will result in exactly the same gut behavior at any given moment. That is, the lobster’s normal pyloric rhythms can be generated by networks with very different cellular and synaptic properties (Figure 14.12).
آزمایشگاه ماردر بیش از ۲۰ میلیون ترکیب شبکه ممکن از قدرت سیناپس و ویژگی‌های نورون را برای این سیستم عصبی روده نسبتا ساده شبیه سازی کرد. پس از مدل‌سازی تمام آن ترکیب‌های زمان‌بندی، ماردر دریافت که حدود ۱ تا ۲ درصد از آنها می‌توانند به الگوی حرکتی مشاهده‌شده در طبیعت منجر شوند. با این حال، حتی این تعداد کمی‌از ترکیبات، ۱۰۰،۰۰۰ تا ۲۰۰،۰۰۰ تنظیم مختلف سیستم عصبی را ایجاد می‌کند که در هر لحظه دقیقاً به همان رفتار روده منجر می‌شود. یعنی ریتم‌های پیلور طبیعی خرچنگ را می‌توان توسط شبکه‌هایی با خواص سلولی و سیناپسی بسیار متفاوت ایجاد کرد (شکل ۱۴.۱۲).
The idea that there are many ways to implement a system to produce one behavior is known as multiple realizability. In a hugely complex system such as the human brain, how many possible tunings might there be for a single behavior? Can single-unit recordings and molecular approaches alone ever reveal what is going on to produce human behavior? This is a profound problem for the reductionist neuroscientist, because Marder’s work shows that while analysis of nerve circuits might be able to explain how the brain could work, such analysis on its own cannot tell the whole story. Neuroscientists will have to figure out how, and at what layer, to approach the nervous system to learn the rules for understanding it.
این ایده که راه‌های زیادی برای پیاده سازی یک سیستم برای تولید یک رفتار وجود دارد، به عنوان تحقق پذیری چندگانه شناخته می‌شود. در یک سیستم بسیار پیچیده مانند مغز انسان، چند تنظیم ممکن برای یک رفتار وجود دارد؟ آیا ضبط‌های تک واحدی و رویکردهای مولکولی به تنهایی می‌توانند آنچه را که برای تولید رفتار انسان رخ می‌دهد، آشکار کنند؟ این یک مشکل عمیق برای عصب شناس تقلیل گرا است، زیرا کار ماردر نشان می‌دهد که در حالی که تجزیه و تحلیل مدارهای عصبی ممکن است بتواند توضیح دهد که مغز چگونه می‌تواند کار کند، چنین تحلیلی به تنهایی نمی‌تواند کل داستان را بیان کند. عصب شناسان باید بفهمند که چگونه و در چه لایه ای به سیستم عصبی نزدیک شوند تا قوانین درک آن را بیاموزند.
FIGURE 14.12 Networks with very different cellular and synaptic properties can generate the typical pyloric rhythm.
(a, b) The voltage traces from two model pyloric networks are very similar, even though they are produced by circuits with very different membranes and synaptic properties. The permeabilities and conductances for various ions differ among the circuits.
شکل ۱۴.۱۲ شبکه‌هایی با خواص سلولی و سیناپسی بسیار متفاوت می‌توانند ریتم پیلور معمولی را ایجاد کنند.
(الف، ب) ردیابی ولتاژ از دو شبکه پیلوری مدل بسیار مشابه است، حتی اگر آنها توسط مدارهایی با غشاها و خواص سیناپسی بسیار متفاوت تولید شوند. نفوذپذیری و رسانایی برای یون‌های مختلف در مدارها متفاوت است.
TAKE-HOME MESSAGES
پیام‌های اصلی
▪️ The brain is a complex system with a layered architecture.
▪️ مغز یک سیستم پیچیده با معماری لایه ای است.
▪️ The flexibility and adaptability that a layer’s protocol provides may be the most important aspect of a layered system.
▪️ انعطاف پذیری و سازگاری که پروتکل یک لایه فراهم می‌کند ممکن است مهم ترین جنبه یک سیستم لایه ای باشد.
▪️ The phenomenon of multiple realizability demonstrates that in a complex system, knowing the workings at one level of organization will not allow you to predict the actual functioning at another level.
▪️ پدیده تحقق پذیری چندگانه نشان می‌دهد که در یک سیستم پیچیده، دانستن عملکرد در یک سطح سازمان به شما اجازه نمی‌دهد که عملکرد واقعی را در سطح دیگری پیش بینی کنید.
۱۴.۵ Access to Information
۱۴.۵ دسترسی به اطلاعات
The philosopher Ned Block was the first to make the distinction between sentience and access to information. At the time, he suggested that the phenomenon of blindsight might provide an example where one (access to visual information) existed without the other (“I cannot see the object”). Blindsight, a term coined by Larry Weiskrantz at Oxford University (1974, 1986), refers to the phenomenon in which some patients suffering a lesion in their visual cortex can respond to visual stimuli presented in the blind part of their visual field (Figure 14.13).
فیلسوف ند بلاک اولین کسی بود که بین احساس و دسترسی به اطلاعات تمایز قائل شد. در آن زمان، او پیشنهاد کرد که پدیده بینایی ممکن است مثالی باشد که در آن یکی (دسترسی به اطلاعات بصری) بدون دیگری وجود داشته باشد («من نمی‌توانم شی را ببینم»). بینایی ناآگاهانه، اصطلاحی که توسط لری ویسکرانتز در دانشگاه آکسفورد (۱۹۷۴، ۱۹۸۶) ابداع شد، به پدیده ای اشاره دارد که در آن برخی از بیمارانی که از ضایعه در قشر بینایی خود رنج می‌برند، می‌توانند به محرک‌های بینایی ارائه شده در قسمت کور میدان بینایی خود پاسخ دهند (شکل ۱۴.۱۳).
Most interestingly, these activities happen outside the realm of consciousness. Patients will deny that they can do a visual task, yet their performance is clearly above that of chance when forced to answer. Such patients have access to information but do not experience it, though some say they have a “feeling” that guides their choice and the stronger that feeling is, the more accurate their guesses are.
جالبتر از همه، این فعالیت‌ها خارج از قلمرو آگاهی اتفاق می‌افتد. بیماران نمی‌توانند یک کار بصری را انجام دهند، اما عملکرد آنها به وضوح بالاتر از شانسی است که مجبور به پاسخ دادن هستند. چنین بیمارانی به اطلاعات دسترسی دارند اما آن را تجربه نمی‌کنند، اگرچه برخی می‌گویند که آنها یک “احساس” دارند که انتخاب آنها را هدایت می‌کند و هر چه این احساس قوی تر باشد حدس‌های آنها دقیق تر است.
Weiskrantz believed that subcortical pathways sup- ported some visual processing. A vast primate literature had already developed on the subject. Monkeys with occipital lesions not only can localize objects in space, but also can make color, luminance, orientation, and pattern discriminations. It hardly seemed surprising that humans could use visually presented information not accessible to consciousness. Subcortical networks with interhemispheric connections provided a plausible anatomy on which the behavioral results could rest.
ویسکرانتز معتقد بود که مسیرهای زیر قشری برخی از پردازش‌های بصری را پشتیبانی می‌کنند. قبلاً ادبیات گسترده ای در مورد این موضوع ایجاد شده بود. میمون‌هایی که ضایعات پس سری دارند نه تنها می‌توانند اشیاء را در فضا محلی‌سازی کنند، بلکه می‌توانند رنگ، درخشندگی، جهت‌گیری و الگو را نیز مشخص کنند. به سختی تعجب آور به نظر می‌رسید که انسان‌ها می‌توانند از اطلاعات ارائه شده به صورت بصری استفاده کنند که برای آگاهی قابل دسترسی نیست. شبکه‌های زیر قشری با اتصالات بین نیمکره ای آناتومی‌قابل قبولی را ارائه می‌دهند که نتایج رفتاری می‌تواند بر آن استوار باشد.
Since blindsight demonstrates vision outside the realm of conscious awareness, this phenomenon has often been invoked as support of the view that perception happens in the absence of sensation, for sensations are presumed to be our experiences of impinging stimuli. Because the primary visual cortex processes sensory inputs, advocates of the secondary pathway view have found it useful to deny the involvement of the primary visual pathway in blindsight. Certainly, it would be easy to argue that perceptual decisions or cognitive activities routinely result from processes outside of conscious awareness. But it would be difficult to argue that such processes do not involve primary sensory systems as well.
از آنجایی که بینایی ناآگاهانه را خارج از قلمرو آگاهی خودآگاه نشان می‌دهد، این پدیده اغلب به عنوان پشتوانه این دیدگاه استناد می‌شود که ادراک در غیاب حس اتفاق می‌افتد، زیرا فرض می‌شود که احساسات تجربه ما از برخورد با محرک‌ها هستند. از آنجایی که قشر بینایی اولیه ورودی‌های حسی را پردازش می‌کند، طرفداران دیدگاه مسیر ثانویه انکار دخالت مسیر بینایی اولیه در بینایی ناآگاهانه را مفید دانسته‌اند. مسلماً می‌توان استدلال کرد که تصمیمات ادراکی یا فعالیت‌های شناختی معمولاً از فرآیندهای خارج از آگاهی آگاهانه ناشی می‌شوند. اما استدلال اینکه چنین فرآیندهایی شامل سیستم‌های حسی اولیه نیز نمی‌شود، دشوار است.
It is premature to conclude that this phenomenon reflects processing solely in subcortical pathways. Information may reach extrastriate visual areas in the cortex, either through direct geniculate projections or via projections from other subcortical structures. Using positron emission tomography (PET), researchers have shown that extrastriate regions such as human area MT can be activated by moving stimuli, even when the ipsilateral striate cortex is completely destroyed (Barbur et al., 1993). Another possibility is that the lesions in the primary visual cortex are incomplete and that blindsight results from residual function in the spared tissue. The representations in the damaged region may be sufficient to guide eye movements, even though they fail to achieve awareness.
زودهنگام است که نتیجه گیری کنیم که این پدیده فقط در مسیرهای زیر قشری پردازش را منعکس می‌کند. اطلاعات ممکن است به نواحی بصری خارج از پوست در قشر مغز برسد، چه از طریق برجستگی‌های ژنیکوله مستقیم یا از طریق برآمدگی‌های سایر ساختارهای زیر قشری. با استفاده از توموگرافی گسیل پوزیترون (PET)، محققان نشان داده‌اند که مناطق خارج از مخطط مانند MT ناحیه انسانی را می‌توان با محرک‌های متحرک فعال کرد، حتی زمانی که قشر مخطط همان طرف به طور کامل از بین رفته باشد (باربر و همکاران، ۱۹۹۳). احتمال دیگر این است که ضایعات در قشر بینایی اولیه ناقص باشند و بینایی ناآگاهانه ناشی از عملکرد باقیمانده در بافت ذخیره شده است. نمایش‌های موجود در ناحیه آسیب‌دیده ممکن است برای هدایت حرکات چشم کافی باشد، حتی اگر آنها به آگاهی نرسند.
Involvement of the damaged primary pathway in blindsight has been demonstrated by Mark Wessinger and Robert Fendrich at Dartmouth College (Fendrich et al., 1992). They investigated this fascinating phenomenon using a Dual-Purkinje-Image Eyetracker that was augmented with an image stabilizer, enabling the sustained presentation of information in discrete parts of the visual field (Figure 14.14). Armed with this piece of equipment and with the cooperation of C.L.T., a robust 55-year-old outdoorsman who had suffered a right occipital stroke 6 years before his examination, they began to tease apart the various explanations for blindsight.
دخالت مسیر اولیه آسیب دیده در بینایی ناآگاهانه توسط مارک وسینگر و رابرت فندریچ در کالج دارتموث نشان داده شده است (فندریچ و همکاران، ۱۹۹۲). آنها این پدیده شگفت‌انگیز را با استفاده از یک ردیاب چشم دوگانه پورکنژ که با تثبیت‌کننده تصویر تقویت شده بود، بررسی کردند و امکان ارائه مداوم اطلاعات را در بخش‌های مجزای میدان بینایی فراهم می‌کرد (شکل ۱۴.۱۴). مسلح به این قطعه تجهیزات و با همکاری C.L.T.، یک مرد ۵۵ ساله قوی در فضای باز که ۶ سال قبل از معاینه وی دچار سکته مغزی پس سری راست شده بود، آنها شروع به تمسخر کردن توضیحات مختلف در مورد بینایی ناآگاهانه کردند.
FIGURE 14.13 Blindsight.
Weiskrantz and colleagues reported the first case of blindsight in a patient with a lesion in the visual cortex. The hatched areas indicate preserved areas of vision for the patient’s left and right eyes.
شکل ۱۴.۱۳ بینایی ناآگاهانه.
ویسکرانتز و همکارانش اولین مورد بینایی ناآگاهانه را در یک بیمار با ضایعه در قشر بینایی گزارش کردند. نواحی هچ شده نشان دهنده مناطق حفظ شده بینایی برای چشم چپ و راست بیمار است.
FIGURE 14.14 The Dual-Purkinje-Image Eyetracker.
The eye tracker compensates for a participant’s eye movements by moving the image in the visual field in the same direction as the eyes, thus stabilizing the image on the retina.
شکل ۱۴.۱۴ ردیاب تصویر دوگانه پورکنژ.
ردیاب چشم حرکات چشم شرکت کننده را با حرکت دادن تصویر در میدان بینایی در همان جهت چشم‌ها جبران می‌کند و در نتیجه تصویر را روی شبکیه تثبیت می‌کند.
Standard field-of-vision measurements (perimetry) indicated that C.L.T. had a left homonymous hemianopsia with lower-quadrant macular sparing (Figure 14.15a). This blind region within the left visual field was explored carefully with the eye tracker, which presents a high- contrast, retinally stabilized stimulus, and an interval, two-alternative, forced-choice procedure. This procedure requires that a stimulus be presented on every trial and that the participant respond on every trial, even though he denies having seen a stimulus. Such a design is more sensitive to subtle influences of the stimulus on the participant’s responses. C.LT. also indicated his confidence on every trial. The investigators found regions of above-chance performance surrounded by regions of chance performance within C.L.T.’s blind field (Figure 14.15b). Simply stated, they found islands of blindsight.
اندازه گیری‌های استاندارد میدان دید (پریمتری) نشان داد که C.L.T. یک همیانوپسی همنام چپ با اسپرینگ ماکولا ربع پایینی داشت (شکل ۱۴.15a). این ناحیه کور در میدان بینایی سمت چپ به دقت با ردیاب چشم مورد بررسی قرار گرفت، که یک محرک با کنتراست بالا، تثبیت شده در شبکیه و یک روش انتخاب اجباری با فاصله، دو جایگزین ارائه می‌دهد. این روش مستلزم آن است که در هر کارآزمایی یک محرک ارائه شود و شرکت‌کننده در هر کارآزمایی پاسخ دهد، حتی اگر مشاهده محرک را انکار کند. چنین طرحی به تأثیرات ظریف محرک بر پاسخ‌های شرکت کننده حساس تر است. C.LT. همچنین اعتماد خود را در هر آزمایش نشان داد. محققان مناطقی از عملکرد بالاتر از شانس را پیدا کردند که توسط مناطق عملکرد شانس در میدان کور C.L.T احاطه شده است (شکل ۱۴.15b). به بیان ساده، آنها جزایر بینایی ناآگاهانه را پیدا کردند.
MRI reconstructions revealed a lesion that had damaged the calcarine cortex, which was consistent with C.L.T.’s clinical blindness. But the imaging also demonstrated some spared tissue in the region of the calcarine fissure. Assuming that this tissue mediated C.L.T.’s central vision with awareness, it seemed reasonable that similar tissue mediated C.L.T.’s islands of blind- sight. More important, both PET and fMRI conclusively demonstrated that these regions were metabolically active-alive and processing information! Thus, the most parsimonious explanation for C.L.T.’s blindsight was that it was directed by spared, albeit severely dysfunctional, remnants of the primary visual pathway rather than by a more general secondary visual system.
بازسازی‌های MRI ضایعه ای را نشان داد که به قشر کلکارین آسیب رسانده بود که با کوری بالینی C.L.T مطابقت داشت. اما تصویربرداری همچنین مقداری از بافت در ناحیه شکاف کلکارین را نشان داد. با فرض اینکه این بافت بینایی مرکزی C.L.T را با آگاهی واسطه می‌کند، منطقی به نظر می‌رسد که بافت مشابه جزایر بینایی ناآگاهانه C.L.T را واسطه کند. مهمتر از آن، هر دو PET و fMRI به طور قطعی نشان دادند که این مناطق از نظر متابولیکی فعال هستند و اطلاعات را پردازش می‌کنند! بنابراین، دلخراش ترین توضیح برای بینایی ناآگاهانه C.L.T این بود که به جای یک سیستم بینایی ثانویه عمومی‌تر، توسط بقایای مسیر بینایی اولیه، هرچند به شدت ناکارآمد، هدایت می‌شد.
Before we can assert that blindsight is due to subcortical or extrastriate structures, we must be extremely careful to rule out the possibility of spared striate cortex. With careful perimetric mapping, it is possible to discover regions of vision within a scotoma that would go undetected with conventional perimetry. Although the blindsight phenomenon has been reported in many other patients, the interpretation of the effect remains controversial.
قبل از اینکه بتوانیم ادعا کنیم که بینایی ناآگاهانه ناشی از ساختارهای زیر قشری یا خارج از مخطط است، باید بسیار مراقب باشیم تا احتمال حفظ قشر مخطط را رد کنیم. با نگاشت محیطی دقیق، می‌توان مناطقی از دید را در یک اسکوتوما کشف کرد که با پریمتری معمولی قابل تشخیص نیستند. اگرچه پدیده بینایی ناآگاهانه در بسیاری از بیماران دیگر گزارش شده است، اما تفسیر این اثر بحث برانگیز است.
FIGURE 14.15 Results of standard and stabilized image perimetry in left visual hemifield. (a) The results of standard perimetry from C.LT.’s right eye. Shading indicates regions diagnosed as clinically blind. The patient has sparing in the macular region of the left lower quadrant. (b) The results of stabilized perimetry testing of the region within the inner border in part (a). Each test location is represented by a circle. The number in a circle represents the percentage of correct detections. The number under the circle indicates the number of trials at that location. Cream circles show unimpaired detection, green circles show impaired detection that was above the level of chance, and purple circles indicate detection that was no better than chance.
شکل ۱۴.۱۵ نتایج پریمتری تصویر استاندارد و تثبیت شده در همی‌فیلد بینایی چپ. (الف) نتایج پریمتری استاندارد از چشم راست C.LT. سایه زدن مناطقی را نشان می‌دهد که از نظر بالینی نابینا هستند. بیمار در ناحیه ماکولای ربع تحتانی چپ دچار سپر می‌شود. (ب) نتایج آزمایش پریمتری تثبیت شده منطقه در مرز داخلی در قسمت (الف). هر مکان آزمون با یک دایره نشان داده می‌شود. عدد در یک دایره نشان دهنده درصد تشخیص صحیح است. عدد زیر دایره تعداد آزمایش‌ها را در آن مکان نشان می‌دهد. دایره‌های کرمی‌تشخیص بدون اختلال را نشان می‌دهند، دایره‌های سبز تشخیص مختل را نشان می‌دهند که بالاتر از سطح شانس بود، و دایره‌های بنفش نشان‌دهنده تشخیصی هستند که بهتر از شانس نبودند.
We do not have to resort to blindsight, however, for evidence of access to information without sentience. It is commonplace to design demanding perceptual tasks for which both participants with neurological deficits and controls with no neurological problems routinely report low confidence in their visual awareness-yet they perform at a level above chance. In these populations it is unnecessary to propose secondary visual systems to account for such reports, since the primary visual system is intact and fully functional.
با این حال، ما مجبور نیستیم برای شواهدی مبنی بر دسترسی بدون احساس به اطلاعات به بینایی ناآگاهانه متوسل شویم. طراحی کارهای ادراکی سختی که برای آنها هم شرکت‌کنندگان با نقص‌های عصبی و هم گروه‌های کنترل بدون مشکل عصبی به طور معمول اعتماد کم به آگاهی بصری خود را گزارش می‌کنند، امری عادی است – اما در سطحی بالاتر از شانس انجام می‌دهند. در این جمعیت‌ها، پیشنهاد سیستم‌های بصری ثانویه برای توضیح چنین گزارش‌هایی ضروری نیست، زیرا سیستم بصری اولیه دست نخورده و کاملاً کاربردی است.
For example, patients with unilateral neglect as a result of right-hemisphere damage are unable to name stimuli entering their left visual field (see Chapter 7). The conscious brain cannot access this information. When asked to judge whether two lateralized visual stimuli, one in each visual field, are the same or different, however, these same patients can do so (Figure 14.16; Volpe et al., 1979). When they are questioned on the nature of the stimuli after a trial, they easily name the stimulus in the right visual field but deny having seen the stimulus in the neglected left field.
به عنوان مثال، بیماران مبتلا به غفلت یک طرفه در نتیجه آسیب نیمکره راست نمی‌توانند محرک‌هایی را که وارد میدان بینایی چپ خود می‌شوند نام ببرند (به فصل ۷ مراجعه کنید). مغز خودآگاه نمی‌تواند به این اطلاعات دسترسی پیدا کند. هنگامی‌که از آنها خواسته می‌شود قضاوت کنند که آیا دو محرک بینایی جانبی، یکی در هر میدان بینایی، یکسان یا متفاوت هستند، با این حال، همین بیماران می‌توانند این کار را انجام دهند (شکل ۱۴.۱۶؛ ولپ و همکاران، ۱۹۷۹). هنگامی‌که از آنها در مورد ماهیت محرک‌ها پس از آزمایش سؤال می‌شود، آنها به راحتی محرک را در میدان بینایی سمت راست نام می‌برند، اما دیدن محرک را در میدان سمت چپ نادیده گرفته شده انکار می‌کنند.
In short, patients with parietal lobe damage but spared visual cortex can make perceptual judgments outside of conscious awareness. Their failure to consciously access information for comparing the stimuli should not be attributed to processing within a secondary visual system, because their geniculostriate pathway is still intact. They have lost the function of a chunk of parietal cortex, and because of that damage they have lost a chunk of the contents that make up their conscious awareness.
به طور خلاصه، بیماران مبتلا به آسیب لوب آهیانه‌ای، اما قشر بینایی در امان مانده، می‌توانند قضاوت ادراکی خارج از آگاهی خودآگاه داشته باشند. ناکامی‌آنها در دسترسی آگاهانه به اطلاعات برای مقایسه محرک‌ها نباید به پردازش در یک سیستم بینایی ثانویه نسبت داده شود، زیرا مسیر ژنتیکال آنها هنوز دست نخورده است. آنها عملکرد یک تکه قشر آهیانه‌ای را از دست داده اند و به دلیل آن آسیب بخشی از محتویاتی را که آگاهی آگاهانه آنها را تشکیل می‌دهد از دست داده اند.
FIGURE 14.16 The same- different paradigm presented to patients with neglect.
(a, b) A patient with unilateral neglect is presented with a single image, first to one hemifield, then to the other. The patient subsequently is asked to judge whether the images are the same or different-a task that he is able to perform. (c, d) When the images are presented simultaneously to both hemifields, the patient is able to determine whether the images are the same or different but cannot verbalize which image he saw in the extinguished hemifield that enabled him to make the correct comparison and decision.
شکل ۱۴.۱۶ پارادایم مشابه – متفاوتی که به بیماران با غفلت ارائه شده است.
(الف، ب) بیمار با غفلت یک طرفه با یک تصویر منفرد، ابتدا از یک همی‌فیلد، سپس به دیگری ارائه می‌شود. متعاقباً از بیمار خواسته می‌شود تا قضاوت کند که آیا تصاویر یکسان هستند یا متفاوت – وظیفه ای که او قادر به انجام آن است. (ج، د) هنگامی‌که تصاویر به طور همزمان به هر دو همی‌فیلد ارائه می‌شوند، بیمار می‌تواند تشخیص دهد که آیا تصاویر یکسان یا متفاوت هستند، اما نمی‌تواند تصویری را که در همی‌فیلد خاموش شده دیده است که او را قادر به مقایسه و تصمیم گیری صحیح می‌کند، به زبان بیان کند. .
Recall that spatial neglect can also affect the imagination and memory, as demonstrated by the patients who were able to describe from memory the piazza in Milan (see Figure 7.7). They neglected things on the side of the piazza contralateral to their lesion, just as if they were actually standing there looking at it, but they were able to describe those same items when they imagined viewing the piazza from the opposite side. We are now prepared to make sense of these findings if we think about a layered architecture.
به یاد بیاورید که غفلت فضایی همچنین می‌تواند بر تخیل و حافظه تأثیر بگذارد، همانطور که توسط بیمارانی که قادر به توصیف از حافظه میدان در میلان بودند نشان داده شد (شکل ۷.۷ را ببینید). آنها چیزهایی را در طرف میدان مقابل ضایعه خود نادیده گرفتند، درست مثل اینکه واقعاً آنجا ایستاده بودند و به آن نگاه می‌کردند، اما وقتی تصور می‌کردند که میدان را از طرف مقابل می‌بینند، می‌توانستند همان موارد را توصیف کنند. اگر به معماری لایه ای فکر کنیم، اکنون آماده ایم که این یافته‌ها را معنا کنیم.
The pattern of loss reveals that there are two different layers. The modules and layers that generate the mental images remain functional. We know this because all the information is present. The final layer of this processing stack outputs its information to a control layer that evaluates which side of space the image will be reported from, and this layer is malfunctioning. It is allowing only information from the right side of space into conscious awareness.
الگوی از دست دادن نشان می‌دهد که دو لایه متفاوت وجود دارد. ماژول‌ها و لایه‌هایی که تصاویر ذهنی را تولید می‌کنند، همچنان کاربردی هستند. ما این را می‌دانیم زیرا تمام اطلاعات موجود است. لایه نهایی این پشته پردازشی اطلاعات خود را به یک لایه کنترلی ارسال می‌کند که ارزیابی می‌کند که تصویر از کدام سمت فضا گزارش می‌شود و این لایه در حال کارکرد نادرست است. این اجازه می‌دهد فقط اطلاعات از سمت راست فضا به آگاهی آگاهانه برسد.
To elucidate how conscious and nonconscious processing layers interact within the cortex, it is necessary to investigate them in the intact, healthy brain. Richard Nisbett and Lee Ross at the University of Michigan (1980) clearly made this point. In a clever experiment, using the tried-and-true technique of learning word pairs, they first exposed participants to word associations like ocean moon. The idea is that participants might subsequently say “tide” when asked to free-associate in response to the word detergent. That is exactly what they do, but they do not know why. When asked, they might say, “Oh, my mother always used Tide to do the laundry.” As we know from Chapter 4, that’s their left-brain interpreter system coming up with an explanation using only the information that was available to it, which was the word detergent and the response, “tide.”
برای روشن شدن چگونگی تعامل لایه‌های پردازش آگاهانه و ناخودآگاه درون قشر مغز، لازم است که آنها را در مغز سالم و سالم بررسی کنیم. ریچارد نیسبت و لی راس در دانشگاه میشیگان (۱۹۸۰) به وضوح این نکته را بیان کردند. در یک آزمایش هوشمندانه، با استفاده از تکنیک آزموده و واقعی یادگیری جفت کلمات، ابتدا شرکت کنندگان را در معرض تداعی کلماتی مانند ماه اقیانوس قرار دادند. ایده این است که شرکت کنندگان ممکن است متعاقباً هنگامی‌که از آنها خواسته می‌شود در پاسخ به کلمه شوینده، “جن و مد” بگویند. این دقیقاً همان کاری است که آنها انجام می‌دهند، اما دلیل آن را نمی‌دانند. وقتی از آنها پرسیده می‌شود، ممکن است بگویند: “اوه، مادرم همیشه از تاید برای شستن لباس‌ها استفاده می‌کرد.” همانطور که از فصل ۴ می‌دانیم، این سیستم مترجم چپ مغز آنها است که تنها با استفاده از اطلاعاتی که در دسترس بود، توضیح می‌دهد، که کلمه شوینده و پاسخ، “جن و مد” بود.
Any student will commonly and quickly declare that she is fully aware of how she solves a problem even when she really does not know. Students solve the famous Tower of Hanoi problem (Figure 14.17) all the time. The running discourse of students articulating what they are doing and why they are doing it can be used to write a computer program to solve the problem. The participant calls on facts known from short- and long-term memory. These events are accessible to consciousness and can be used to build a theory for their action. Yet no one is aware of how the events became established in short- or long-term memory. Problem solving is happening in at least two different layers: one or more hidden nonconscious layers, and the application layer that we are conscious of.
هر دانش آموزی معمولاً و به سرعت اعلام می‌کند که کاملاً از چگونگی حل یک مشکل آگاه است حتی وقتی واقعاً نمی‌داند. دانش آموزان مشکل معروف برج‌هانوی (شکل ۱۴.۱۷) را همیشه حل می‌کنند. گفتمان در حال اجرا دانش آموزان که بیان می‌کنند چه کاری انجام می‌دهند و چرا آن را انجام می‌دهند می‌تواند برای نوشتن یک برنامه کامپیوتری برای حل مشکل استفاده شود. شرکت‌کننده حقایقی را که از حافظه کوتاه‌مدت و بلندمدت شناخته شده است، فرا می‌خواند. این رویدادها برای آگاهی قابل دسترسی هستند و می‌توان از آنها برای ساختن نظریه ای برای عمل خود استفاده کرد. با این حال هیچ کس از چگونگی تثبیت وقایع در حافظه کوتاه مدت یا بلند مدت آگاه نیست. حل مسئله حداقل در دو لایه مختلف اتفاق می‌افتد: یک یا چند لایه ناخودآگاه پنهان و لایه کاربردی که ما از آن آگاه هستیم.
FIGURE 14.17 The Tower of Hanoi problem.
The task is to rebuild the rings on another tower in as few steps as possible without ever putting a larger ring on top of a smaller ring. It can be done in seven steps, and after much practice, students learn the task. After they have solved it, however, their explanations for how they solved it can be quite bizarre.
شکل ۱۴.۱۷ مسئله برج هانوی.
تکلیف این است که حلقه‌ها را در یک برج دیگر در کمترین قدم ممکن بدون قرار دادن حلقه بزرگتر روی یک حلقه کوچکتر بازسازی کنید. می‌توان آن را در هفت مرحله انجام داد و پس از تمرین زیاد، دانش آموزان این کار را یاد می‌گیرند. با این حال، پس از اینکه آنها آن را حل کردند، توضیحات آنها در مورد چگونگی حل آن می‌تواند بسیار عجیب باشد.
The Extent of Nonconscious Processing
وسعت پردازش ناخودآگاه
Cognitive psychologists have examined the extent and kind of information that can be processed non consciously. The classic approach is to use the technique of subliminal perception, in which the stimulus is presented below the threshold of sensation or awareness. In one experiment, a picture of a girl either throwing a cake at someone or simply presenting the cake in a friendly manner is flashed so quickly that the viewer denies seeing it. A neutral picture of the girl is presented subsequently, and the participant’s judgment of the girl’s personality proves to be biased by the subliminal exposures presented earlier (Figure 14.18). Hundreds of such demonstrations have been recounted, although they are not easy to replicate. Many psychologists maintain that elements of the picture are captured non consciously and that this result is sufficient to bias judgment.
روانشناسان شناختی میزان و نوع اطلاعاتی را که می‌توان به طور غیرآگاهانه پردازش کرد، بررسی کرده اند. رویکرد کلاسیک استفاده از تکنیک ادراک زیرآگاهی است که در آن محرک زیر آستانه احساس یا آگاهی ارائه می‌شود. در یک آزمایش، تصویری از دختری که کیک را به سمت کسی پرتاب می‌کند یا به سادگی کیک را به شکلی دوستانه ارائه می‌کند، چنان سریع فلش می‌شود که بیننده دیدن آن را انکار می‌کند. متعاقباً تصویری خنثی از دختر ارائه می‌شود، و قضاوت شرکت‌کننده در مورد شخصیت دختر ثابت می‌کند که با قرار گرفتن در معرض پنهانی که قبلاً ارائه شد، مغرضانه است (شکل ۱۴.۱۸). صدها مورد از این گونه تظاهرات بازگو شده است، اگرچه تکرار آنها آسان نیست. بسیاری از روانشناسان معتقدند که عناصر تصویر به صورت ناآگاهانه گرفته می‌شوند و این نتیجه برای قضاوت جانبدارانه کافی است.
Cognitive psychologists have sought to reaffirm the role of nonconscious processing through various experimental paradigms. A leader in this effort has been Tony Marcel of Cambridge University (1983a, 1983b). Marcel used a masking paradigm in which the brief presentation of either a blank screen or a word was followed quickly by a masking stimulus of a crosshatch of letters. One of two tasks followed presentation of the masking stimulus. In a detection task, participants merely had to choose whether a word had been presented. Participants responded at a level of chance on this task. They simply could not tell whether a word had been presented.
روانشناسان شناختی تلاش کرده اند تا نقش پردازش ناخودآگاه را از طریق پارادایم‌های مختلف تجربی تایید کنند. رهبر این تلاش تونی مارسل از دانشگاه کمبریج (1983a، 1983b) بوده است. مارسل از یک پارادایم پوشاننده استفاده کرد که در آن نمایش مختصر یک صفحه خالی یا یک کلمه به سرعت توسط یک محرک پوشاننده از حروف متقاطع دنبال می‌شد. یکی از دو کار به دنبال ارائه محرک پوشاننده بود. در یک کار تشخیص، شرکت کنندگان فقط باید انتخاب می‌کردند که آیا کلمه ای ارائه شده است یا خیر. شرکت کنندگان در سطح شانس به این کار پاسخ دادند. آنها به سادگی نمی‌توانستند بگویند کلمه ای ارائه شده است یا خیر.
With a lexical decision task, however, the subliminally presented stimulus had effects. Here, following presentation of the masking stimulus, a string of letters was presented and participants had to specify whether the string formed a word. Marcel cleverly manipulated the subthreshold words in such a way that some were related to the word string and some were not. If there had been at least lexical processing of the subthreshold word, related words should have elicited faster responses, and this is exactly what Marcel found.
با این حال، با یک تکلیف تصمیم‌گیری واژگانی، محرک ارائه‌شده به صورت پنهانی تأثیراتی داشت. در اینجا، پس از ارائه محرک پوشاننده، رشته ای از حروف ارائه شد و شرکت کنندگان باید مشخص می‌کردند که آیا رشته یک کلمه را تشکیل می‌دهد یا خیر. مارسل با زیرکی کلمات زیرآستانه را طوری دستکاری کرد که برخی با کلمه رشته مرتبط بودند و برخی نه. اگر حداقل پردازش واژگانی کلمه زیرآستانه وجود داشت، کلمات مرتبط باید پاسخ‌های سریع‌تری را ایجاد می‌کردند، و این دقیقاً همان چیزی است که مارسل یافت.
FIGURE 14.18 Testing subliminal perception.
(a) A participant is quickly shown just one picture of a girl, similar to these images, in such a way that the participant is not consciously aware of the picture’s content. The participant is then shown a neutral picture (b) and is asked to describe the girl’s character. Judgments of the girl’s character have been found to be biased by the previous subthreshold presentation.
شکل ۱۴.۱۸ آزمایش ادراک زیرآستانه‌ای (ناخودآگاه).
(الف) به یک شرکت‌کننده به سرعت فقط یک عکس از یک دختر، مشابه این تصاویر نشان داده می‌شود، به گونه‌ای که شرکت‌کننده آگاهانه از محتوای تصویر آگاه نباشد. سپس یک تصویر خنثی (ب) به شرکت‌کننده نشان داده می‌شود و از او خواسته می‌شود که شخصیت دختر را توصیف کند. قضاوت در مورد شخصیت دختر با ارائه زیرآستانه قبلی مغرضانه بوده است.
Since then, investigations of conscious and nonconscious processing of pictures and words have been combined successfully into a single cross-form priming paradigm. In this paradigm, both pictures and word stems are presented (Figure 14.19). Using both extended and brief periods of presentation, the investigators showed that such picture-to-word priming can occur with or without awareness. In addition to psychophysically setting the brief presentation time at identification threshold, they used a pattern mask to halt conscious processing. Apparently not all processing was halted, however, because priming occurred equally well under both conditions.
از آن زمان، تحقیقات در مورد پردازش آگاهانه و ناخودآگاه تصاویر و کلمات به طور موفقیت آمیزی در یک پارادایم اولیه ترکیبی ترکیب شده است. در این پارادایم، هم تصاویر و هم ریشه کلمات ارائه شده است (شکل ۱۴.۱۹). با استفاده از هر دو دوره طولانی و کوتاه ارائه، محققان نشان دادند که چنین آغازگر تصویر به کلمه می‌تواند با یا بدون آگاهی رخ دهد. آنها علاوه بر تنظیم روان‌فیزیکی زمان ارائه کوتاه در آستانه شناسایی، از یک ماسک الگو برای توقف پردازش آگاهانه استفاده کردند. با این حال، ظاهراً همه پردازش متوقف نشد، زیرا پرایمینگ در هر دو شرایط به یک اندازه خوب اتفاق افتاد.
Given that participants denied seeing the briefly presented stimuli, nonconscious processing must have allowed them to complete the word stems (primes). In other words, they were extracting conceptual information from the pictures, even without consciously seeing them. In a layered system this apparent disconnect presents no conundrum; we would say that the output of a nonconscious layer was the input to the application layer.
با توجه به اینکه شرکت کنندگان دیدن محرک‌های ارائه شده به طور خلاصه را انکار کردند، پردازش ناخودآگاه باید به آنها اجازه داده باشد که ریشه‌های کلمه (اول) را کامل کنند. به عبارت دیگر، آنها حتی بدون اینکه آگاهانه آنها را ببینند، اطلاعات مفهومی‌را از تصاویر استخراج می‌کردند. در یک سیستم لایه‌ای، این قطع ارتباط آشکار هیچ معمایی ایجاد نمی‌کند. ما می‌گوییم که خروجی یک لایه ناخودآگاه ورودی لایه برنامه است.
FIGURE 14.19 Picture-to-word priming paradigm. (a) During the study, either extended and unmasked (top) or brief and masked (bottom) presentations were used. (b) During the test, participants were asked to complete word stems (“kan” and “bic” in this example). Priming performance was identical between extended and brief presentations. (c) Afterward, participants were asked whether they remembered seeing the words as pictures. Here, performance differed: Participants usually remembered seeing the extended presentations but regularly denied having seen the brief presentations.
شکل ۱۴.۱۹ پارادایم آغازگر تصویر به کلمه. (الف) در طول مطالعه، از ارائه‌های گسترده و بدون نقاب (بالا) یا مختصر و نقاب دار (پایین) استفاده شد. (ب) در طول آزمون، از شرکت کنندگان خواسته شد تا ریشه‌های کلمه را کامل کنند (“کان” و “بیک” در این مثال). عملکرد پرایمینگ بین ارائه‌های گسترده و مختصر یکسان بود. (ج) پس از آن، از شرکت کنندگان پرسیده شد که آیا به یاد دارند کلمات را به عنوان تصویر ببینند. در اینجا، عملکرد متفاوت بود: شرکت‌کنندگان معمولاً به یاد می‌آوردند که ارائه‌های گسترده را دیده‌اند، اما مرتباً دیدن ارائه‌های کوتاه را انکار می‌کردند.
How often does this happen in everyday life? Considering the complexity of the visual world and how rapidly our eyes look around, briefly fixating from object to object (about 100-200 ms), this situation probably happens quite often! These data further underscore the need to consider both conscious and nonconscious processes, along with the framework of a layered architecture, when developing a theory of consciousness.
چقدر این اتفاق در زندگی روزمره می‌افتد؟ با توجه به پیچیدگی دنیای بصری و سرعت چشمان ما به اطراف نگاه می‌کند و به طور خلاصه از شیئی به شیء دیگر ثابت می‌شود (حدود ۱۰۰-۲۰۰ میلی ثانیه)، این وضعیت احتمالاً اغلب اتفاق می‌افتد! این داده‌ها بیشتر بر نیاز به در نظر گرفتن فرآیندهای آگاهانه و ناخودآگاه، همراه با چارچوب یک معماری لایه‌ای، هنگام توسعه یک نظریه آگاهی تأکید می‌کنند.
Shifting Processing from Conscious to Nonconscious Layers
تغییر پردازش از لایه‌های آگاهانه به لایه‌های ناخودآگاه
An often overlooked aspect of consciousness is the ability to move from conscious, controlled processing to nonconscious, automatic processing. Such “movement” from conscious to nonconscious is necessary when we are learning complex motor tasks such as riding a bike or driving a car, as well as for complex cognitive tasks such as verb generation and reading.
یکی از جنبه‌های آگاهی که اغلب نادیده گرفته می‌شود، توانایی حرکت از پردازش آگاهانه و کنترل‌شده به پردازش غیرآگاهانه و خودکار است. چنین “حرکت” از خودآگاه به ناخودآگاه زمانی ضروری است که ما در حال یادگیری وظایف حرکتی پیچیده مانند دوچرخه سواری یا رانندگی ماشین و همچنین برای کارهای شناختی پیچیده مانند تولید فعل و خواندن هستیم.
At Washington University in St. Louis, Marcus Raichle and Steven Petersen, two pioneers in the brain- imaging field, proposed a “scaffolding to storage” framework to account for this movement (Petersen et al., 1998). Initially, according to their framework, we must use conscious processing during practice while developing complex skills (or memories); this activity can be considered the scaffolding process. During this time, the memory is being consolidated, or the skill is being developed and honed. Once the task is learned, brain activity and brain involvement change. This change can be likened to the removal of the scaffolding, or the disinvolvement of support structures and the involvement of more permanent structures as the tasks are “stored” for use.
در دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس، مارکوس ریچل و استیون پترسن، دو پیشگام در زمینه تصویربرداری از مغز، چارچوب “داربست به ذخیره سازی” را برای توضیح این حرکت پیشنهاد کردند (پترسن و همکاران، ۱۹۹۸). در ابتدا، با توجه به چارچوب آنها، ما باید از پردازش آگاهانه در حین تمرین و در حین توسعه مهارت‌های پیچیده (یا خاطرات) استفاده کنیم. این فعالیت را می‌توان فرآیند داربست در نظر گرفت. در این مدت، حافظه در حال تثبیت است، یا مهارت در حال توسعه و تقویت است. هنگامی‌که کار یاد گرفت، فعالیت مغز و درگیری مغز تغییر می‌کند. این تغییر را می‌توان به حذف داربست، یا از بین بردن ساختارهای پشتیبانی و درگیر شدن سازه‌های دائمی‌تر به عنوان وظایف “ذخیره” برای استفاده تشبیه کرد.
Using PET techniques, Petersen and Raichle demonstrated this scaffolding-to-storage movement in the awake-behaving human brain. Participants performed either a verb generation task, which was compared to simply reading verbs, or a maze-tracing task, which was compared to tracing a square. The study clearly demon- strated that early, unlearned, conscious processing uses a much different network of brain regions than does later, learned, nonconscious processing (Figure 14.20). The researchers hypothesized that during learning, a scaffolding set of regions is used to handle novel task demands. After learning, a different set of regions is involved, perhaps regions specific to the storage or representation of the particular skill or memory. In terms of a layered architecture, the processing has moved to a lower layer and has been abstracted.
پترسن و ریچل با استفاده از تکنیک‌های PET، این حرکت از داربست به انبار را در مغز انسان بیدار نشان دادند. شرکت کنندگان یا یک کار تولید فعل را انجام دادند که با خواندن ساده افعال مقایسه شد، یا یک کار ردیابی پیچ و خم که با ترسیم مربع مقایسه شد. این مطالعه به وضوح نشان داد که پردازش آگاهانه زودهنگام، آموخته نشده و آگاهانه از شبکه بسیار متفاوتی از نواحی مغزی نسبت به پردازش ناخودآگاه بعداً آموخته شده استفاده می‌کند (شکل ۱۴.۲۰). محققان این فرضیه را مطرح کردند که در طول یادگیری، مجموعه ای از داربست از مناطق برای رسیدگی به خواسته‌های جدید کار استفاده می‌شود. پس از یادگیری، مجموعه متفاوتی از مناطق درگیر است، شاید مناطقی خاص برای ذخیره یا بازنمایی مهارت یا حافظه خاص. از نظر معماری لایه ای، پردازش به لایه پایین تر منتقل شده و انتزاع شده است.
Dynamic network analysis has since identified changes in functional connectivity between brain regions over the course of learning a motor task as it becomes automatic (see Section 3.7). Further, once this movement from conscious to nonconscious has occurred, it is sometimes difficult to reinitiate conscious processing. A classic example is learning to drive with a clutch. Early on, you have to consciously practice the steps of releasing the gas pedal while depressing the clutch, moving the shift lever, and slowly releasing the clutch while applying pressure to the gas pedal again—all without stalling the car. After a few jerky attempts, you know the procedures well; they become automatic and you no longer think about them. The process has been stored, but it is rather difficult to separate the steps.
تجزیه و تحلیل شبکه پویا از آن زمان تغییراتی را در اتصال عملکردی بین مناطق مغز در طول یادگیری یک کار حرکتی با خودکار شدن آن شناسایی کرده است (به بخش ۳.۷ مراجعه کنید). علاوه بر این، هنگامی‌که این حرکت از خودآگاه به ناخودآگاه رخ داد، گاهی اوقات شروع مجدد پردازش آگاهانه دشوار است. یک مثال کلاسیک یادگیری رانندگی با کلاچ است. در اوایل، باید آگاهانه مراحل رها کردن پدال گاز را در حین فشردن کلاچ، حرکت اهرم دنده، و به آرامی‌رها کردن کلاچ در حالی که دوباره به پدال گاز فشار می‌آورید، تمرین کنید – همه اینها بدون توقف ماشین. پس از چند تلاش تند و سریع، مراحل را به خوبی می‌دانید. آنها خودکار می‌شوند و شما دیگر به آنها فکر نمی‌کنید. فرآیند ذخیره شده است، اما جدا کردن مراحل نسبتاً دشوار است.
FIGURE 14.20 Activated areas of the brain change as tasks are practiced. Based on PET images, these eight panels show that practicing a task results in a shift of the brain regions that are most active. (a) When confronted with a new verb generation task, areas in the left frontal region, such as the prefrontal cortex, are activated (green areas in the first panel). As the task is practiced, blood flow to these areas decreases (as depicted by the fainter color in the second panel). In contrast, the insula is less active during naive verb generation. With practice, however, activation in the insula increases, suggesting that practice causes activity in the insula to replace activity previously observed in the frontal regions. (b) An analogous shift in activity is observed elsewhere in the brain during a motor-learning maze-tracing task. Activity in the premotor and parietal areas seen early in the maze task (red areas in the first panel) subsides with practice (fainter red in the second panel), while increases in blood flow are then seen in the primary and supplementary motor areas (PMA and SMA) as a result of practice.
شکل ۱۴.۲۰ مناطق فعال مغز با انجام تکلیف‌ها تغییر می‌کنند. بر اساس تصاویر PET، این هشت پانل نشان می‌دهد که تمرین یک کار منجر به جابجایی مناطق مغزی می‌شود که بیشترین فعالیت را دارند. (الف) هنگامی‌که با یک وظیفه تولید فعل جدید مواجه می‌شوید، نواحی در ناحیه پیشانی سمت چپ، مانند قشر پره‌فرونتال، فعال می‌شوند (مناطق سبز در پانل اول). همانطور که کار تمرین می‌شود، جریان خون در این مناطق کاهش می‌یابد (همانطور که با رنگ کم رنگ در پانل دوم نشان داده شده است). در مقابل، اینسولا در طول تولید فعل ساده لوح کمتر فعال است. با این حال، با تمرین، فعال‌سازی در اینسولا افزایش می‌یابد، که نشان می‌دهد تمرین باعث می‌شود فعالیت در اینسولا جایگزین فعالیت‌هایی شود که قبلاً در نواحی فرونتال مشاهده شده بود. (ب) یک تغییر مشابه در فعالیت در جاهای دیگر مغز در طول یک کار ردیابی پیچ و خم یادگیری حرکتی مشاهده می‌شود. فعالیت در نواحی پیش حرکتی و آهیانه‌ای که در اوایل کار ماز دیده می‌شود (نواحی قرمز در پانل اول) با تمرین کاهش می‌یابد (قرمز کمتر در پانل دوم)، در حالی که افزایش جریان خون در نواحی حرکتی اولیه و تکمیلی (PMA) مشاهده می‌شود. و SMA) در نتیجه تمرین.
Similar processes occur in learning other complex skills. Chris Chabris, a cognitive psychologist at Harvard University, studied chess players as they progressed from the novice to the master level (Chabris & Hamilton, 1992). During lightning chess, masters play many games simultaneously and very fast. Their play seems intuitive as they make move after move after move, and in essence they are playing by intuition-learned intuition, that is. They know, without really knowing how they know, what the next best move is.
فرآیندهای مشابهی در یادگیری سایر مهارت‌های پیچیده رخ می‌دهد. کریس چابریس، روانشناس شناختی در دانشگاه‌هاروارد، شطرنج بازان را در حالی که از سطح مبتدی به سطح کارشناسی ارشد پیشرفت می‌کردند، مورد مطالعه قرار داد (چابریس و همیلتون، ۱۹۹۲). در طول شطرنج رعد و برق، استادان بازی‌های زیادی را به طور همزمان و بسیار سریع انجام می‌دهند. بازی آنها شهودی به نظر می‌رسد زیرا آنها حرکتی پشت سر هم حرکت می‌کنند و در اصل آنها با شهود آموخته شده از شهود بازی می‌کنند. آنها بدون اینکه واقعا بدانند چگونه می‌دانند، می‌دانند بهترین حرکت بعدی چیست.
For novices, such lightning play is not possible. They have to painstakingly examine the pieces and moves one by one. (“OK, if I move my knight over there, she will take my bishop; no, that won’t work. Let’s sec, if I move the rook-no, then she will move her bishop and then I can take her knight… whoops, that will put me in check… hmm.”) But after many hours of practice and hard work, as the novices develop into chess masters, they see and react to the chessboard differently. They now begin to view and play it as a series of groups of pieces and moves, as opposed to separate pieces with serial moves. Chabris’s research showed that during early stages of learning, the talking, language-based left brain is consciously controlling the game. With experience, however, as the different moves and possible groupings are learned, the perceptual, feature-based right brain takes over.
برای تازه کارها، چنین بازی رعد و برقی امکان پذیر نیست. آنها باید تک تک تکه‌ها و حرکات را با زحمت بررسی کنند. (“باشه، اگر شوالیه ام را به آنجا ببرم، او اسقفم را خواهد برد؛ نه، این کار نمی‌کند. بیایید بگذریم، اگر سر را حرکت دهم – نه، او اسقف خود را منتقل می‌کند و سپس من می‌توانم شوالیه او را ببرم. … اوه، این مرا تحت کنترل قرار می‌دهد… هوم.”) اما پس از ساعت‌ها تمرین و کار سخت، وقتی تازه کارها به استادان شطرنج تبدیل می‌شوند، صفحه شطرنج را متفاوت می‌بینند و به آن واکنش نشان می‌دهند. آنها اکنون شروع به مشاهده و نواختن آن به صورت مجموعه ای از قطعات و حرکات می‌کنند، برخلاف قطعات جداگانه با حرکات سریال. تحقیقات Chabris نشان داد که در مراحل اولیه یادگیری، مغز چپ که مبتنی بر زبان صحبت می‌کند، آگاهانه بازی را کنترل می‌کند. با این حال، با تجربه، همانطور که حرکات مختلف و گروه بندی‌های ممکن آموخته می‌شوند، مغز راست ادراکی و مبتنی بر ویژگی‌ها کنترل می‌شود.
For example, International Grandmaster chess player and two-time U.S. chess champion Patrick Wolff, who at age 20 defeated the world chess champion Garry Kasparov in 25 moves, was given 5 seconds to look at a picture of a chessboard with all the pieces set in a pattern that made chess sense. He was then asked to reproduce it, and he quickly and accurately did so, getting 25 out of 27 picces in the correct position. Even a good player would place only about 5 pieces correctly (Chabris, 1999).
به عنوان مثال، شطرنج‌باز استاد بزرگ بین‌المللی و قهرمان دو دوره شطرنج ایالات متحده، پاتریک ولف، که در سن ۲۰ سالگی در ۲۵ حرکت، گری کاسپاروف، قهرمان شطرنج جهان را شکست داد، ۵ ثانیه فرصت داشت تا به تصویر یک صفحه شطرنج با تمام مهره‌ها نگاه کند. الگویی که شطرنج را معنا کرد. سپس از او خواسته شد که آن را بازتولید کند، و او به سرعت و با دقت این کار را انجام داد و از ۲۷ عکس ۲۵ عکس را در موقعیت صحیح به دست آورد. حتی یک بازیکن خوب فقط حدود ۵ مهره را به درستی قرار می‌دهد (چابریس، ۱۹۹۹).
In a different trial, however, with the same board and the same number of pieces, but with the pieces in positions that didn’t make chess sense, he got only a few pieces right, as would a person who doesn’t play chess. Wolff’s original accuracy was due to his right brain automatically matching up patterns that it had learned from years of playing chess. You can watch this test at http:// www.youtube.com/watch?v=PBoiARwIGYY.
اما در آزمایشی متفاوت، با همان تخته و تعداد مهره‌های یکسان، اما با مهره‌هایی در موقعیت‌هایی که حس شطرنج را نداشت، او فقط چند مهره را درست به دست آورد، مانند فردی که شطرنج بازی نمی‌کند. . دقت اولیه وولف به این دلیل بود که مغز راست او به طور خودکار الگوهایی را که از سال‌ها بازی شطرنج آموخته بود، مطابقت می‌داد. می‌توانید این تست را در http://www.youtube.com/watch?v=PBoiARwIGYY تماشا کنید.
Although neuroscientists may know that Wolff’s right-brain pattern perception mechanism is the source of this capacity, Wolff himself did not. When he was asked about his ability, his left-brain interpreter struggled for an explanation: “You sort of get it by trying to, to understand what’s going on quickly and of course you chunk things, right?… I mean obviously, these pawns, just, but, but it, I mean, you chunk things in a normal way, like I mean one person might think this is sort of a structure, but actually I would think this is more, all the pawns like this” (Gazzaniga, 2011). When asked, the speaking left brain of the master chess player can assure us that it can explain how the moves are made, but it fails miserably to do so as often happens when you try, for example, to explain how to use a clutch to someone who doesn’t drive a standard-transmission car.
اگرچه دانشمندان علوم اعصاب ممکن است بدانند که مکانیسم ادراک الگوی راست مغز ولف منشأ این ظرفیت است، اما خود ولف نمی‌دانست. وقتی از او در مورد توانایی‌هایش پرسیدند، مترجم چپ مغزش تلاش کرد تا توضیحی بدهد: “شما به نوعی با تلاش برای فهمیدن اینکه چه اتفاقی دارد می‌افتد و البته چیزها را تکه تکه می‌کنید، متوجه می‌شوید، درست است؟… منظورم واضح است، این پیاده‌ها، فقط، اما، اما منظورم این است که شما چیزها را به روشی عادی تکه تکه می‌کنید، مثل اینکه یک نفر ممکن است فکر کند این یک ساختار است، اما در واقع فکر می‌کنم این بیشتر است، همه پیاده‌ها مانند این» (Gazzaniga، ۲۰۱۱). هنگامی‌که از او پرسیده می‌شود، مغز چپ سخنگو از استاد شطرنج باز می‌تواند به ما اطمینان دهد که می‌تواند نحوه انجام حرکات را توضیح دهد، اما در انجام این کار بسیار ناکام می‌ماند، همانطور که اغلب زمانی اتفاق می‌افتد که مثلاً سعی می‌کنید نحوه استفاده از کلاچ را توضیح دهید. کسی که ماشین گیربکس استاندارد را نمی‌راند.
The transition from controlled, conscious processing to automatic, nonconscious processing requires multiple interactions among many brain processes, including consciousness, as the neural circuit is compiled, tested, recompiled, retested, and so on. Eventually, as the cognitive control regions disengage, nonconscious processing begins to take over. We can think of this as processing being moved to a lower layer hidden from view.
انتقال از پردازش کنترل شده و آگاهانه به پردازش خودکار و ناخودآگاه مستلزم تعاملات متعدد بین بسیاری از فرآیندهای مغز از جمله آگاهی است، زیرا مدار عصبی کامپایل، آزمایش، دوباره کامپایل، آزمایش مجدد و غیره می‌شود. در نهایت، با از بین رفتن نواحی کنترل شناختی، پردازش ناخودآگاه شروع به کار می‌کند. می‌توانیم این را به‌عنوان انتقال پردازش به لایه‌ای پایین‌تر و پنهان از دید در نظر بگیریم.
This theory seems to imply that once conscious processing has effectively enabled us to move a task to a lower layer (the realm of the nonconscious), we no longer need conscious processing. This transition would enable us to perform that task nonconsciously and allow our limited conscious processing to turn to another task. We could nonconsciously ride our bikes and think about quantum mechanics at the same time. Consciousness may have evolved to improve the efficiency of nonconscious processing. The ability to relegate learned tasks and memories to nonconscious processing enables us to devote our limited consciousness resources to recognizing and adapting to changes and novel situations in the environment, thus increasing our chances of survival.
به نظر می‌رسد این نظریه دلالت دارد که وقتی پردازش آگاهانه به طور مؤثری ما را قادر می‌سازد تا یک کار را به لایه پایین‌تری (قلمرو ناخودآگاه) منتقل کنیم، دیگر نیازی به پردازش آگاهانه نداریم. این انتقال ما را قادر می‌سازد تا آن کار را به صورت ناخودآگاه انجام دهیم و به پردازش آگاهانه محدود ما اجازه می‌دهد به کار دیگری روی آورد. ما می‌توانستیم ناخودآگاه دوچرخه‌هایمان را سوار کنیم و همزمان به مکانیک کوانتومی‌فکر کنیم. هشیاری ممکن است برای بهبود کارایی پردازش ناخودآگاه تکامل یافته باشد. توانایی واگذاری وظایف و خاطرات آموخته‌شده به پردازش ناخودآگاه، ما را قادر می‌سازد تا منابع محدود آگاهی خود را به شناسایی و سازگاری با تغییرات و موقعیت‌های جدید در محیط اختصاص دهیم، در نتیجه شانس بقای خود را افزایش دهیم.
TAKE-HOME MESSAGES
پیام‌های اصلی
▪️ Most of the processing that goes on in the brain is nonconscious.
▪️ بیشتر پردازش‌هایی که در مغز انجام می‌شود ناخودآگاه است.
▪️ We have conscious access to only a limited amount of information processed by the brain.
▪️ ما فقط به مقدار محدودی از اطلاعات پردازش شده توسط مغز آگاهانه دسترسی داریم.
▪️ Subliminal processing is defined as brain activity evoked by a stimulus that is below the threshold for awareness. When processing is subliminal, the information is in- accessible to awareness.
▪️ پردازش سابلیمینال به عنوان فعالیت مغز برانگیخته شده توسط یک محرک که زیر آستانه آگاهی است تعریف می‌شود. هنگامی‌که پردازش به صورت زیرآگاهی باشد، اطلاعات برای آگاهی غیرقابل دسترسی است.
▪️ Early, unlearned, conscious processing uses a much different network of brain regions than does later, learned, nonconscious processing.
▪️ پردازش آگاهانه زودهنگام، آموخته نشده، از شبکه‌ای بسیار متفاوت از نواحی مغزی نسبت به پردازش‌های بعدی، آموخته‌شده و ناخودآگاه استفاده می‌کند.
▪️The ability to relegate learned tasks and memories to nonconscious processing enables us to devote our limited consciousness resources to recognizing and adapting to changes and novel situations in the environment, thus increasing our chances of survival.
▪️ توانایی واگذاری وظایف و خاطرات آموخته شده به پردازش ناخودآگاه ما را قادر می‌سازد تا منابع محدود آگاهی خود را به شناخت و سازگاری با تغییرات و موقعیت‌های جدید در محیط اختصاص دهیم و در نتیجه شانس بقای خود را افزایش دهیم.
»» فصل قبل:فصل شناخت اجتماعی
»» تمامی کتاب
