نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی Ph.D، آزمایشگاه سایبرنتیک و مدل‌سازی سیستم‌های بیولوژیکی، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

2 استاد، آزمایشگاه سایبرنتیک و مدل‌سازی سیستم‌های بیولوژیکی، دانشکده مهندسی پزشک، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر،

3 محقق پسی‌دکتری، آزمایشگاه سایبرنتیک و مدل‌سازی سیستم‌های بیولوژیکی، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

10.22041/ijbme.2021.522727.1660

چکیده

در فیزیولوژی شناختی و علوم اعصاب، حافظه مکانی بخشی از حافظه است که مسئول ثبت و بازخوانی اطلاعات درباره‌ی اجزای محیط و جهت‌گیری و ناوبری است. اعمال شناختی مغز از جمله ناوبری، از طریق فعالیت‌های دارای همبستگی و دنباله‌ای نواحی مختلف مغز شکل گرفته و اجرا می‌شوند. طبق تحقیقات انجام شده، فرآیند ناوبری عمدتاً به عملکرد هیپوکمپ و بخش گیجگاهی میانی مرتبط است و بازیابی حافظه مکانی از این نواحی تحت کنترل ناحیه پیشانی و مشخصاً قشر پیش‌پیشانی میانی انجام می‌شود. با توجه به خلأ وجود یک مدل شناختی و محاسباتی جامع از فرآیند ناوبری در مسیر یاد گرفته شده و مبهم بودن اطلاعات انتقالی بین واحدها و همچنین دور بودن بسیاری از مدل‌های ارائه شده با واقعیت آنچه در تبادل اطلاعات در این فرآیند شناختی در مغز اتفاق می‌افتد، در این مقاله تلاش ما بر ارائه مدلی شناختی از این فرایند بر اساس رویکردهایی از مفاهیم محاسباتی و با تمرکز بر تعامل دوطرفه بین HPC و mPFC بوده است. مدل پیشنهادی مهم‌ترین نواحی مغزی فعال در ناوبری با استفاده از نقشه شناختی را در خود دارد و بر اساس نحوه عملکرد و تعاملات بین نواحی مختلف مغزی، توصیف‌هایی را بر مبنای مفاهیم سنکرونی بین نوسانگرها ارائه می‌کند. در این مدل بر اساس فرایند سنکرونی در انتقال اطلاعات و ماهیت عملکرد مبتنی بر قواعد واحد mPFC در کنترل واحدهای گیجگاهی میانی، ایده استفاده از مجموعه‌های نورونی وندرپل و پایگاه قواعد کنترلی را مطرح نموده‌ایم. همچنین با تحلیل و ارائه شواهد نشان داده‌ایم که این مدل در راستای توجیه اختلالات عملکردی و شناختی در ناوبری و طراحی و پیش‌بینی اثر پروتکل‌های درمانی و توان‌بخشی در بیماری‌های مرتبط با این عملکرد شناختی نظیر آلزایمر می‌تواند مفید و کاربردی باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

A cognitive model of spatial navigation: Hippocampus and Prefrontal cortex interaction

نویسندگان [English]

  • Maryam Moghadam, 1
  • Farzad Towhidkhah 2
  • Golnaz Baghdadi 3

1 Ph.D. Candidate, Cybernetics and Modeling of Biological Systems Lab, Department of Biomedical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

2 Full Professor, Cybernetics and Modeling of Biological Systems Lab, Department of Biomedical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

3 Postdoc Researcher, Cybernetics and Modeling of Biological Systems Lab, Department of Biomedical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

چکیده [English]

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.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Navigation
  • Interaction
  • Hippocampus
  • Medial Prefrontal cortex
  • Vanderpol
  • Rules base