DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-59153-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40319012
تاريخ النشر: 2025-05-03
المؤلف: Irina Barnaveli وآخرون
الموضوع الرئيسي: الذاكرة والآليات العصبية
طرق
إجراءات التجربة تضمنت نظام تدريب لمدة ثلاثة أيام للمشاركين، يدمج بين الواقع الافتراضي الغامر (VR) وطرق الشاشة التقليدية. في اليومين الأولين، شارك المشاركون في ست مهام متميزة مصممة لتسهيل ارتباط الأفعال الحركية العشوائية بنتائجها. بدأت تدريبات الواقع الافتراضي بمهمة استكشاف موجه، تلتها مهمة عمل موجهة نحو هدف. بالمقابل، شملت التدريبات المعتمدة على الكمبيوتر مهمتين لتقييم الأداء ومهمتين للمقارنة.
في اليوم الثالث، خضع المشاركون لجلسات تصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) لمدة ساعة، حيث قاموا بأداء مهام المقارنة التي تم تعلمها سابقًا. لضمان الاحتفاظ بالمادة المتعلمة، تم تقديم كل جلسة fMRI بجلسة تدريب قصيرة على الواقع الافتراضي تهدف إلى تجديد معرفة المشاركين. سمح هذا النهج المنهجي بتقييم شامل للعلاقات العصبية المرتبطة بالأفعال الحركية المتعلمة في كل من البيئات الغامرة وغير الغامرة.
نتائج
في هذه الدراسة، شارك ستة وأربعون مشاركًا في تجربة لمدة ثلاثة أيام مصممة لتعلم الارتباطات بين الأفعال العشوائية ونتائجها ضمن بيئة واقع افتراضي (VR). تضمنت اليومين الأولين تدريبًا حيث قام المشاركون بتحريك عصا تحكم افتراضية لتنفيذ مجموعات مختلفة من الأفعال، مما أدى إلى إطلاق كرة افتراضية. كانت نتائج هذه الأفعال مميزة بعدد من الأبعاد: احتمال هبوط الكرة في متناول اليد للإمساك بها (عصا التحكم 1) واحتمال بقاء الكرة مرئية طوال مسارها (عصا التحكم 2). كانت العلاقة بين أفعال عصا التحكم وهذه النتائج غير خطية وتفاوتت بين المشاركين، حيث تم تمثيل كل ارتباط فعل-نتيجة كنقطة في فضاء فعل-نتيجة ثنائي الأبعاد.
لتسهيل التعلم، قدم الباحثون “معالم” داخل هذا الفضاء، حيث كانت مجموعات أفعال معينة مرتبطة بكريات ملونة، بينما كانت مجموعات أخرى مرتبطة بكرة رمادية. شارك المشاركون في البداية في استكشاف موجه للتعرف على بيئة فعل-نتيجة، تلتها مهمة عمل موجهة نحو هدف لتقييم فهمهم للاختلافات المتعلمة. أشارت النتائج إلى أن المشاركين اكتسبوا بنجاح معرفة بخرائط فعل-نتيجة واستخدموا هذه المعرفة بشكل فعال لاختيار الأفعال، مما يدل على قدرتهم على التنقل في الهيكل العلاقي للمهمة.
مناقشة
في هذه الدراسة، أظهر المشاركون القدرة على ترميز علاقات فعل-نتيجة ضمن فضاء ذهني ثنائي الأبعاد بعد تدريب الواقع الافتراضي (VR). استخدمت الدراسة مهام متنوعة، بما في ذلك مهام تقييم العلاقات ومهام المقارنة الثنائية، لتقييم ما إذا كان المشاركون قد حفظوا فقط ارتباطات فعل-نتيجة الفردية أو طوروا خريطة معرفية أكثر تجريدًا. أشارت النتائج إلى أن المشاركين نظموا هذه الارتباطات في هيكل علاقي، كما يتضح من الارتباطات الكبيرة بين تقييماتهم الذاتية للتشابه والمسافات الفعلية في فضاء فعل-نتيجة. أكدت الدقة العالية في مهام المقارنة أن المشاركين استخدموا بشكل فعال معرفتهم بعلاقات فعل-نتيجة لاتخاذ قرارات مستنيرة.
كشفت تحليلات التصوير العصبي أن القشرة المسؤولة عن الإدراك (EC) أظهرت تعديلًا سداسي الاتجاه للنشاط، مما يشير إلى تمثيل عصبي للهيكل العلاقي لخطط الأفعال. كان هذا التعديل مرتبطًا بشكل كبير بالفروق الزاوية بين مجموعات الأفعال في الفضاء التجريدي، مما يدعم وجود خريطة معرفية. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الحصين حساسية لقرب مجموعات الأفعال، مع تأثيرات تكيف BOLD تشير إلى أن نشاط الحصيني يتناسب مع المسافة بين العناصر في فضاء فعل-نتيجة. تشير هذه النتائج مجتمعة إلى أن الدماغ البشري يبني تمثيلًا متكاملًا لارتباطات فعل-نتيجة، يتميز بأبعاد علاقيّة ومكانية، مع توقيعات عصبية متميزة في نظام الحصيني-القشرة المسؤولة عن الإدراك ومناطق الحركة الإضافية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-59153-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40319012
Publication Date: 2025-05-03
Author(s): Irina Barnaveli et al.
Primary Topic: Memory and Neural Mechanisms
Methods
The experimental procedure involved a three-day training regimen for participants, integrating both immersive virtual reality (VR) and traditional computer screen methods. On the first two days, participants engaged in six distinct tasks designed to facilitate the association of arbitrary motor actions with their outcomes. The VR training commenced with a Guided Exploration Task, followed by a Goal-directed Action Task. In contrast, the computer-based training included two Rating Tasks and two Comparison Tasks.
On the third day, participants underwent two one-hour functional MRI (fMRI) sessions, during which they performed the previously learned Comparison Tasks. To ensure retention of the learned material, each fMRI session was prefaced by a brief VR training session aimed at refreshing participants’ knowledge. This methodological approach allowed for a comprehensive assessment of the neural correlates associated with the learned motor actions in both immersive and non-immersive environments.
Results
In this study, forty-six participants engaged in a three-day experiment designed to learn the associations between arbitrary actions and their outcomes within a virtual reality (VR) environment. The first two days involved training where participants manipulated two virtual joysticks to execute various action combinations, which resulted in the launching of a virtual ball. The outcomes of these actions were characterized by two dimensions: the probability of the ball landing within reach for catching (Joystick 1) and the probability of the ball remaining visible throughout its trajectory (Joystick 2). The relationship between joystick actions and these outcomes was non-linear and varied among participants, with each action-outcome association represented as a point in a two-dimensional action-outcome space.
To facilitate learning, the researchers introduced ‘landmarks’ within this space, where specific action combinations were associated with colored balls, while other combinations were linked to a grey ball. Participants initially engaged in Guided Exploration to familiarize themselves with the action-outcome environment, followed by a Goal-directed Action Task to assess their understanding of the learned associations. Results indicated that participants successfully acquired knowledge of the action-outcome mappings and effectively utilized this knowledge for action selection, demonstrating the ability to navigate the relational structure of the task.
Discussion
In this study, participants demonstrated the ability to encode action-outcome relations within a two-dimensional mental space following virtual reality (VR) training. The research employed various tasks, including relational Rating Tasks and pairwise Comparison Tasks, to assess whether participants had merely memorized individual action-outcome associations or had developed a more abstract cognitive map. Results indicated that participants organized these associations into a relational structure, as evidenced by significant correlations between their subjective similarity ratings and the actual distances in the action-outcome space. High accuracy in the Comparison Tasks further confirmed that participants effectively utilized their knowledge of action-outcome relations to make informed decisions.
Neuroimaging analyses revealed that the entorhinal cortex (EC) exhibited a hexadirectional modulation of activity, suggesting a neural representation of the relational structure of action plans. This modulation was significantly correlated with the angular differences between action combinations in the abstract space, supporting the existence of a cognitive map. Additionally, the hippocampus displayed sensitivity to the proximity of action combinations, with BOLD adaptation effects indicating that hippocampal activity scaled with the distance between items in the action-outcome space. These findings collectively suggest that the human brain constructs an integrated representation of action-outcome associations, characterized by both relational and spatial dimensions, with distinct neural signatures in the hippocampal-entorhinal system and supplementary motor areas.