DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37612-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41634247
تاريخ النشر: 2026-02-03
المؤلف: Giovanni Granato وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات علم النفس العصبي والسلوكي
نظرة عامة
تتناول هذه القسم التفاعل بين الوظائف التنفيذية (EF) والميتامعرفة (MC) في السلوك الموجه نحو الهدف، مع تسليط الضوء على فجوة كبيرة في الأدبيات الحالية بشأن حساباتها العصبية التمثيلية. يقترح المؤلفون طريقة جديدة للتوأمة الرقمية النفسية، والتي تدمج البيانات السريرية والتجريبية مع النمذجة النظرية والحسابية لتعزيز التوصيف النفسي العصبي والتنبؤ. يقدمون نظرية ثلاثية المكونات للميتامعرفة والقدرة على التكيف في التفكير الموجه نحو الهدف، مستندة إلى الأدبيات النظرية والعصبية، ويطورون نموذجًا حسابيًا مستوحى من الأعصاب تم اختباره باستخدام اختبار فرز بطاقات ويسكونسن الميتامعرفي (Meta-WCST).
تكشف النتائج أن كل من فقدان الشهية العصبي والفصام يظهران تشابهات معرفية وميتامعرفية، مثل ضعف الدافع والثقة المفرطة، بينما يظهران أيضًا اختلافات واضحة في سلوكيات مثل الاستمرار والتقييم الذاتي. تتنبأ المحاكاة بفوائد متفاوتة من العلاج النفسي القائم على الميتامعرفة، مما يبرز ضرورة التدخلات الشخصية. بشكل عام، تسهم هذه الأبحاث في إطار متكامل للوظائف التنفيذية والميتامعرفة، مقدمة أول نموذج حسابي قائم على النظرية لاختبار Meta-WCST وآثاره على علم النفس المعرفي والتقنيات الناشئة، بما في ذلك الرعاية الصحية الرقمية والتكنولوجيا الروبوتية المستقلة.
مقدمة
تحدد المقدمة إطارًا نظريًا يتكون من ثلاثة أنظمة ماكرو وظيفية عصبية تسهل السلوك الموجه نحو الهدف: الميتامعرفة (التي تشمل أنظمة MC-M و MC-C)، الوظائف التنفيذية (بما في ذلك الذاكرة العاملة، والمكونات الدافعة، والتلاعب من الأعلى إلى الأسفل)، والإدراك (الممثل بواسطة أنظمة إدراكية هرمية). تعمل هذه المكونات معًا لدعم الحسابات التمثيلية المعقدة الضرورية لاتخاذ القرارات الفعالة والعمل.
يفترض الإطار هيكلًا هرميًا للحسابات، مع ثلاثة مستويات: يتضمن الحساب من الدرجة الثالثة التقييم والتعديل، ويشمل الحساب من الدرجة الثانية الأهداف المجردة والكلام الداخلي، ويركز الحساب من الدرجة الأولى على الإدراكات والانتباه الانتقائي. بالإضافة إلى ذلك، يتم التأكيد على دمج الحلقات الحسية الحركية المجسدة، حيث تلعب دورًا حاسمًا في التقييم والتعديل والتلاعب بالتمثيلات، مما يعزز السلوك الموجه نحو الهدف. يتم تلخيص هذا النموذج الشامل في الجدول 1، الذي يحدد العناصر الرئيسية لنظرية الميتامعرفة والقدرة على التكيف في التفكير الموجه نحو الهدف.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون بنية وديناميات نموذج حسابي مصمم لمحاكاة السلوك البشري عبر ثلاث مجموعات: ضوابط صحية (HC)، أفراد يعانون من فقدان الشهية العصبي (AN)، وأولئك الذين يعانون من الفصام (SZ). شمل عملية ملاءمة النموذج تحديد مجموعات المعلمات التي تطابقت بشكل أفضل مع البيانات السلوكية من كل مجموعة، حيث تم تقييم جودة الملاءمة باستخدام معيار المعلومات بايزي (BIC) ومقارنات إحصائية (اختبارات t المصححة بونفيروني) بين مخرجات النموذج والأداء البشري.
تشير النتائج إلى أن نموذج HC حقق ملاءمة قوية (BIC = -2.81)، مع أحجام تأثير ضئيلة إلى صغيرة وفترات ثقة غالبًا ما تضمنت الصفر، مما يشير إلى توافق وثيق بين الأداء المحاكى والفعلي. كما أظهر نموذج AN ملاءمة جيدة (BIC = -8.55)، دون اختلافات كبيرة في المؤشرات المعرفية أو الميتامعرفية. بينما أظهر نموذج SZ، على الرغم من أنه أظهر ملاءمة جيدة (BIC = -1.12)، اختلافات كبيرة في مؤشرين ميتامعرفيين (FIM و MR)، على الرغم من أن الأداء العام ظل قابلًا للمقارنة. تؤكد هذه النتائج مجتمعة أن النماذج تعيد بشكل فعال تمثيلات الملفات السلوكية للمجموعات البشرية المعنية، مما يثبت تمثيلات التوأم الرقمي الموثوقة لمزيد من التحقيقات القائمة على النموذج.
نتائج
في قسم النتائج، يقدم المؤلفون بشكل منهجي نتائجهم من خلال نهج منظم يتضمن تحليلات النموذج، والتحقق التجريبي، والتنبؤات السريرية. في البداية، استكشفوا العلاقات بين معلمات النموذج والمؤشرات السلوكية، وأجروا تحليلات إصابة لتوصيف الآليات الداخلية للنموذج وأداء تحليلات الحساسية. بعد ذلك، تم اختبار النموذج ضد البيانات التجريبية البشرية، مع التركيز على بحث معلمات مدفوع بالبيانات مستند إلى المؤشرات السلوكية.
استخدمت الأبحاث أيضًا التوائم الرقمية البشرية لتقييمات نفسية عصبية قائمة على النموذج ومقارنات، مما أدى إلى محاكاة التدخلات النفسية لاشتقاق التنبؤات السريرية. تشمل المعلمات المعرفية الرئيسية المحددة حساسية الخطأ ($\mu^-$)، حساسية المكافأة ($\mu^+$)، سرعة النسيان ($\phi$)، والتشتيت/التركيز ($\tau$). كما تم فحص المعلمات الميتامعرفية مثل وزن التاريخ ($\Psi$)، عتبة القرار ($\kappa$)، ضوضاء القرار ($\beta$)، والتحسين الذاتي ($\lambda$). تشير الدراسة إلى مؤشرات معرفية متنوعة، بما في ذلك الاستجابات الصحيحة (CR)، ودرجة الكمية (QS)، والأخطاء المستمرة (PE)، إلى جانب مؤشرات ميتامعرفية مثل درجة الدقة (AS) والربح المالي (MG)، كما هو ملخص في الجداول 2 و 4.
مناقشة
في هذا القسم، يقدم المؤلفون إطارًا متكاملًا لفهم التفكير المرن والميتامعرفة، والذي يُطلق عليه “نظرية الميتامعرفة والقدرة على التكيف في التفكير الموجه نحو الهدف”. تستند هذه النظرية إلى نموذجهم العصبي الحسابي السابق، مع التأكيد على التفاعل بين ثلاثة أنظمة ماكرو: الميتامعرفة، الوظائف التنفيذية، والإدراك. يفترض الإطار أن العمليات الميتامعرفية (MC-M و MC-C) تعمل كحسابات من الدرجة الثالثة التي تعدل الوظائف التنفيذية من الدرجة الثانية، والتي بدورها تتلاعب بالعمليات الإدراكية من الدرجة الأولى. يوضح هذا الهيكل الهرمي كيف يتفاعل التغذية الراجعة الدافعية، وإشارات عدم اليقين، وتمثيلات الأهداف لتسهيل السلوك التكيفي الموجه نحو الهدف.
يستعرض المؤلفون الآليات الكامنة وراء العمليات الميتامعرفية، مع تسليط الضوء على أدوار شبكات الدماغ المختلفة. على سبيل المثال، يدمج القشرة الجبهية الأمامية الأمامية (aPFC) المعلومات الإدراكية وغير الإدراكية لإبلاغ تقييمات الثقة، بينما تدعم الشبكة الجبهية الظهرية المراقبة الميتامعرفية (MC-M) والتحكم (MC-C). يتم التحقق من صحة النموذج المقترح من خلال اختبار فرز بطاقات ويسكونسن الميتامعرفي (Meta-WCST)، الذي يقيم كل من المرونة المعرفية والوظائف الميتامعرفية. يسمح هذا الاختبار بجمع المؤشرات السلوكية التي تعكس الأداء المعرفي والميتامعرفي، مما يوفر نهجًا شاملاً لدراسة التفاعل بين هذه المجالات المعرفية في كل من السكان الأصحاء والسريريين.
القيود
يعترف قسم القيود بعدة قيود ضمن الإطار النظري والحسابي المقترح للميتامعرفة والقدرة على التكيف في التفكير الموجه نحو الهدف. من الجدير بالذكر أن النموذج الحالي لا يتضمن دور الكلام الداخلي، الذي يعد أمرًا حيويًا لدعم العمليات الميتامعرفية ويختلف بشكل كبير بين الأفراد. يجب أن تهدف الأبحاث المستقبلية إلى صياغة التفاعلات بين الكلام الداخلي، والميتامعرفة، والوظائف التنفيذية، مما قد يعزز الأسس النظرية للنموذج.
بالإضافة إلى ذلك، فإن البنية الحسابية المستخدمة في هذه الدراسة تعتمد على نسخة مبسطة من النماذج السابقة التي تضمنت مكونات الكلام الداخلي. بينما تساعد هذه التبسيط في الحفاظ على قابلية الحساب، إلا أنها تحد من تعقيد النموذج. كما أن المكونات الميتامعرفية المطبقة حاليًا أساسية، حيث يستجيب وحدة MC-C لثقة منخفضة (MC-M) لتعزيز الوظائف التنفيذية. يمكن أن تقدم التكرارات المستقبلية ميزات أكثر تعقيدًا للتحكم الميتامعرفي، بما في ذلك تلك التي قد تؤثر سلبًا على الوظائف التنفيذية، مما يعكس العمليات الميتامعرفية غير التكيفية الملاحظة في سياقات سريرية مختلفة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37612-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41634247
Publication Date: 2026-02-03
Author(s): Giovanni Granato et al.
Primary Topic: Neural and Behavioral Psychology Studies
Overview
This section discusses the interplay between executive functions (EF) and metacognition (MC) in goal-directed behavior, highlighting a significant gap in the existing literature regarding their neuro-representational computations. The authors propose a novel neuropsychological digital-twin method, which integrates clinical and experimental data with theoretical and computational modeling to enhance neuropsychological profiling and prediction. They introduce a three-component theory of metacognitive and flexible goal-directed cognition, grounded in theoretical and neuroscientific literature, and develop a neuro-inspired computational model tested using the Metacognitive Wisconsin Card Sorting Test (Meta-WCST).
The findings reveal that both Anorexia Nervosa and Schizophrenia exhibit cognitive and metacognitive similarities, such as motivational impairment and over-confidence, while also displaying distinct differences in behaviors like perseveration and self-evaluation. The simulations predict varying benefits from metacognitive-based psychotherapy, underscoring the necessity for personalized interventions. Overall, this research contributes to an integrated framework of EF and MC, offering the first theory-based computational model of the Meta-WCST and implications for cognitive science and emerging technologies, including digital-twin healthcare and autonomous robotics.
Introduction
The introduction outlines a theoretical framework consisting of three neuro-functional macro-systems that facilitate goal-directed behavior: Metacognition (comprising MC-M and MC-C systems), Executive Functions (including Working Memory, motivational components, and top-down manipulation), and Perception (represented by hierarchical perceptual systems). These components work together to support complex representational computations essential for effective decision-making and action.
The framework posits a hierarchical structure of computations, with three levels: the third-order computation involves evaluation and modulation, the second-order encompasses abstract goals and inner speech, and the first-order focuses on percepts and selective attention. Additionally, the integration of embodied sensory-motor loops is emphasized, as they play a crucial role in the evaluation, modulation, and manipulation of representations, thereby enhancing goal-directed behavior. This comprehensive model is summarized in Table 1, which delineates the main elements of the three-component theory of metacognitive and flexible goal-directed cognition.
Methods
In this section, the authors detail the architecture and dynamics of a computational model designed to simulate human behavior across three groups: healthy controls (HC), individuals with anorexia nervosa (AN), and those with schizophrenia (SZ). The model fitting process involved identifying parameter sets that best matched the behavioral data from each group, with the quality of fit assessed using the Bayesian Information Criterion (BIC) and statistical comparisons (Bonferroni-corrected t-tests) between model outputs and human performance.
The results indicate that the HC model achieved a strong fit (BIC = -2.81), with negligible to small effect sizes and confidence intervals that frequently included zero, suggesting a close alignment between simulated and actual performance. The AN model also demonstrated a good fit (BIC = -8.55), with no significant differences in cognitive or metacognitive indices. The SZ model, while showing a good fit (BIC = -1.12), revealed significant differences in two metacognitive indices (FIM and MR), although the overall performance remained comparable. Collectively, these findings affirm that the models effectively replicate the behavioral profiles of the respective human groups, establishing reliable digital-twin representations for further model-based investigations.
Results
In the Results section, the authors systematically present their findings through a structured approach that includes model analyses, experimental validation, and clinical predictions. Initially, they explored the relationships between model parameters and behavioral indices, conducting lesion analyses to characterize the model’s internal mechanisms and perform sensitivity analyses. Subsequently, the model was tested against human experimental data, with a focus on a data-driven parameter search informed by behavioral indices.
The research further utilized human digital twins for model-based neuropsychological evaluations and comparisons, culminating in the emulation of psychotherapeutic interventions to derive clinical predictions. Key cognitive parameters identified include error sensitivity ($\mu^-$), reward sensitivity ($\mu^+$), forgetting speed ($\phi$), and distractibility/focus ($\tau$). Metacognitive parameters such as history weight ($\Psi$), decision threshold ($\kappa$), decision noise ($\beta$), and self-improvement ($\lambda$) were also examined. The study reports various cognitive indices, including correct responses (CR), quantity score (QS), and perseverative errors (PE), alongside metacognitive indices like accuracy score (AS) and monetary gain (MG), as summarized in Tables 2 and 4.
Discussion
In this section, the authors present an integrated framework for understanding flexible cognition and metacognition, termed the “three-component theory of metacognitive and flexible goal-directed cognition.” This theory builds upon their previous neurocomputational model, emphasizing the interaction between three macro-systems: metacognition, executive functions, and perception. The framework posits that metacognitive processes (MC-M and MC-C) operate as third-order computations that modulate second-order executive functions, which in turn manipulate first-order perceptual processes. This hierarchical structure clarifies how motivational feedback, uncertainty signals, and goal representations interact to facilitate adaptive, goal-directed behavior.
The authors detail the mechanisms underlying metacognitive processes, highlighting the roles of various brain networks. For instance, the anterior prefrontal cortex (aPFC) integrates perceptual and non-perceptual information to inform confidence evaluations, while the dorsal prefrontal network supports metacognitive monitoring (MC-M) and control (MC-C). The proposed model is validated through the Meta-Wisconsin Card Sorting Test (Meta-WCST), which assesses both cognitive flexibility and metacognitive functions. This task allows for the collection of behavioral indices that reflect cognitive and metacognitive performance, providing a comprehensive approach to studying the interplay between these cognitive domains in both healthy and clinical populations.
Limitations
The section on limitations acknowledges several constraints within the proposed theoretical and computational framework for metacognitive and flexible goal-directed cognition. Notably, the current model does not incorporate the role of inner speech, which is crucial for supporting metacognitive processes and varies significantly across individuals. Future research should aim to formalize the interactions between inner speech, metacognition, and executive functions, potentially enhancing the theoretical underpinnings of the model.
Additionally, the computational architecture utilized in this study is based on a simplified version of earlier models that included inner speech components. While this simplification aids in maintaining computational tractability, it limits the model’s complexity. The metacognitive components currently implemented are also basic, with the MC-C module responding to low confidence (MC-M) to enhance executive functioning. Future iterations could introduce more intricate features of metacognitive control, including those that may negatively impact executive functioning, thereby reflecting maladaptive metacognitive processes observed in various clinical contexts.