كارول أ. بارنز
مسار مهني مسار وظيفي > متاهة بارنز

لدراسة التعلم المكاني والذاكرة، استخدمت كارول بارنز متاهة لاختبار ما إذا كانت الفئران يمكن أن تتذكر موقع صندوق الهروب على منصة. أصبحت متاهة بارنز أداة قياسية لاختبار الذاكرة في المختبرات. تم تصميم متاهة بارنز، التي تم تصميمها في عام 1979، كبديل لدراسة الذاكرة دون استخدام مكافأة أو عقاب خارجي، مع تقليل الضغط على الحيوان طوال العملية.
تتكون الدراسة الأصلية من منصة (122   قطر سم) أثار 91   سم فوق الأرض مع 18 حفرة دائرية (9.5   أقطار سم) متباعدة بالتساوي حول المحيط. تحت أحد الثقوب يوجد صندوق هروب أسود، أو أي لون غامق على النقيض من لون المنصة؛ تؤدي بقية الثقوب إلى صناديق هروب كاذبة.
اشتملت الدراسة على 3 أنواع من التجربة. أولاً، كان على الماوس ببساطة أن يجد غرفة الهروب التي تم وضعها تحت أحد الثقوب. ثانيًا، تم نقل غرفة الهروب إلى حفرة استدارة 120-140 درجة من الفتحة الأصلية؛ تم تغطية الثقب الأصلي. ثالثًا، تم استخدام نفس الطريقة التي استخدمها الاختلاف الثاني باستثناء عدم تغطية الفتحة الأصلية. وجدت بارنز وفريقها أن أداء الفئران بشكل عام أفضل في جميع أشكال التجربة. علاوة على ذلك، وجدوا أن الفئران الأصغر أداءًا أفضل أيضًا في جميع الاختلافات، في حين أظهرت الفئران الأكبر سناً صعوبات ملحوظة في الاختلافات 2 و 3. وأظهر ذلك ضعف الشيخوخة في الذاكرة المكانية.
تتوافق الذاكرة المكانية مع عمل الحُصين، في حين يشمل تعلم المسار الأنظمة المخططية. بشكل عام، تعلمت الفئران والقوارض الأخرى من مختلف الأعمار متاهات T في نفس عدد التجارب، لكن الاستراتيجيات المستخدمة لتعلم وتذكر متاهات اختلفت مع العمر. استخدمت الفئران الصغيرة في الغالب استراتيجيات «المكان» التي تعتمد على عمل الحصين، بينما اعتمدت الفئران الأكبر سنًا على استراتيجيات «الاستجابة».
باستخدام تقنيات التصوير بالرنين المغناطيسي، تمكنت بارنز وفريقها من رؤية أنه في أدمغة القوارض المعتادة، لم يتغير حجم الحُصين. وبدلاً من ذلك، فإن حجم المادة الرمادية القشرية قد حدث. سمح هذا النموذج الحيواني بفهم كيف يبدو الدماغ أثناء الأداء البشري الطبيعي. من هذا الفهم، تم مقارنة العقول التي تدهورت بسبب مرض الزهايمر (القوارض لا تظهر م). تظهر هذه النتائج أنه أثناء الشيخوخة الطبيعية، يظل الحصين بنفس الحجم، وقد تنخفض وظيفته مقارنة بوظائف مناطق أخرى من الدماغ.
بالنظر إلى عمق الأنسجة المتضررة، أظهر التصوير أحادي الخلية أن هناك 3 أنواع رئيسية من الخلايا التي تشكل الحصين. عند مراقبة نشاط الخلية وعدد خلايا الحصين من الفئران، وجد أن الخلايا الهرمية CA1 و CA3 استمرت في النشاط ونفس الحجم. ومع ذلك، انخفض باستمرار عدد الخلايا الحبيبية في التلفيف المسنن مع تقدم العمر؛ كما أن وظيفة هذه الخلايا تراجعت عن قيادة بارنز وفريقها لاستنتاج أن خلايا التلفيف هذه هي الحلقة الضعيفة لدائرة الحصين المشاركة في الذاكرة.
بالإضافة إلى العمل على نماذج القوارض، ساعد بارنز في تقدم مجال أبحاث الشيخوخة المعيارية باستخدام نماذج الرئيسيات غير البشرية، وخاصة القرود المكاك. في المقام الأول، ساعد عمل بارنز المبكر في قرود المكاك على ربط البيانات البيولوجية العصبية التي تم جمعها من القوارض وبيانات التصوير الوظيفي من كبار السن من البشر. في الورقة " ضعف الذاكرة لدى الرئيسيات المسنين مرتبط بخلل وظيفي في الشبكة الخاصة بالمنطقة " أظهرت بارنز وفريقها أن القردة الأكبر سناً تعاني من ضعف ملحوظ في التعرف على الأشياء.
وبالإضافة إلى ذلك، عرض القردة القديمة كثافة أقل من السوماتوستاتين المثبطة إيجابي interneurons في CA3 المنطقة الفرعية لل قرن آمون. هذه interneurons هي المسؤولة عن تنظيم نشاط الخلايا العصبية مثير في قرن آمون. مع كثافة أقل من interneuron ، ارتفع معدل إطلاق الخلايا العصبية CA3 إثارة. تتعلق هذه النتيجة بزيادة نشاط الحصين الموضح في دراسات التصوير لكبار السن من البشر. ارتبط كل من انخفاض كثافة باطن الأرض وزيادة معدلات إطلاق خط الأساس في الحصين بسوء الإدراك.
علاوة على ذلك، في ورقة «الدليل على مخطط ترميز الذاكرة المحفوظ تطوريًا في الحصين الثدييات» وجدت بارنز وفريقها دليلاً على أن جميع الثدييات تتطلب نفس الكمية من الخلايا العصبية في الحصين لترميز ذاكرة تجربة واحدة. تشير هذه النتيجة إلى أن الثدييات الطويلة تستخدم كمية ثابتة من الخلايا العصبية لترميز تجربة واقع افتراضي مشابهة. ومع ذلك، نظرًا لتفاوت حجم الحصين، تختلف نسبة الخلايا العصبية المستخدمة في ترميز التجربة. القوارض لديها أصغر الحصين، وبالتالي تستخدم 40٪ من هم الحصين الخلايا العصبية لترميز، الرئيسيات غير البشرية لها الحصين أكبر واستخدام 4٪، وأخيرا، البشر لديهم أكبر الحصين وتستخدم ما يقدر بنحو 2.5٪ لترميز التجريبي.
قامت بارنز أيضًا بإجراء بحث لمراقبة التغيرات في الوظائف التنفيذية مع الشيخوخة المعيارية. الوظائف التنفيذية هي العملية الأعلى مرتبة التي يشارك فيها البشر مثل الانتباه وصنع القرار والتحكم في الاندفاع والسيطرة العاطفية. يتم التوسط في هذه الوظائف من خلال نشاط القشرة الأمامية. مرة أخرى بدراسة قرود المكاك، ركزت بارنز وفريقها على جانبين من الوظيفة التنفيذية، المراقبة والتحديث المتعمد بالإضافة إلى تعيين التحول. تسمح المراقبة والتحديث المتعمدان بتغييرات السلوك مع تغييرات القواعد المقابلة. على سبيل المثال، عندما يتم تقديم خيارين، أحدهما هو الاختيار الصحيح في البداية؛ ومع ذلك، عندما يتغير الخيار الصحيح إلى الخيار الثاني، فإن المراقبة والتحديث المتعمد يساعدان على تصحيح تغيير القاعدة وتغيير السلوك من أجل الاختيار الصحيح. يتم التوسط في التغيير في السلوك من خلال عملية التجربة والخطأ، مما يساعد على ربط الاختيار الصحيح بسلوكيات معينة. وجدت بارنز وفريقها أن القرود الأكبر سنا بحاجة إلى عدد أكبر من المحاكمات لمراعاة تغيير القاعدة بدقة. يشير إلى أن النظام التنفيذي الكامن وراء المراقبة والتحديث المتعمد ضعيف مع الشيخوخة.
لدراسة تغيير مجموعة وهي القدرة على تحويل الانتباه دون وعي بين المهام مع الحفاظ على الدقة، قدم بارنز القرود المكاك مع اختبار التعرف على الأشياء من الأشياء المكتسبة مسبقًا. ثم قدمت كائنات متداخلة تتطلب تحولات بين اختيار الكائن وتقييم الأشياء الجديدة. أظهرت نتائجها أن القرود القديمة كانت تؤدي بشكل أفضل في التعرف على الأشياء مع هذا التداخل من القردة الأصغر. وبالتالي يبدو أن قدرات التحول الثابتة يتم الحفاظ عليها إذا لم يتم تعزيزها بالشيخوخة.
ومع ذلك، فإن أهم اكتشاف من هذه الدراسات هو أن جانبين من الوظيفة التنفيذية، المراقبة والتحديث والتحول، ثبت أنهما نظامان مستقلان يتأثران بشكل مختلف مع تقدم العمر. وبالتالي، تشير بارنز وفريقها إلى أن التغييرات في القشرة الأمامية قبل الجبهي يمكن أن تنجم عن الشيخوخة ولكن المناطق الفرعية المختلفة داخلها تظهر أنماطًا مختلفة للشيخوخة.
تتضمن المساهمة البحثية الأخيرة لكارول أ بارنز دراسة الشبكات المكانية والذكريات المكانية في قرود المكاك القديمة. درست بارنز وفريقها نشاط الدماغ في أربع حالات مختلفة للحركة: الأقفاص، والجلوس، والمشي على جهاز المشي، والمشي بحرية في الفضاء. ووجدت الدراسة أن قرود المكاك الصغيرة لديها شبكات مكانية مميزة لجميع الظروف الأربعة المميزة. ومع ذلك، عرضت القرود القديمة نشاطًا أقل تميزًا للشبكات المكانية. بمعنى، أثارت جميع الظروف تفعيل نفس الشبكة غير المتمايزة. تقترح هذه النتيجة تغييرات الشبكة الديناميكية كشرح محتمل لعجز الإدراك المكاني. وبعبارة أخرى، تصبح شبكات المعالجة المكانية أقل دقة مع تقدم العمر وقد تساهم في فقدان الذاكرة المكانية أو الارتباك.
المدونة هنا هي الأشخاص الذين عملت معهم عن كثب طوال وقتها كطالب دراسات عليا وأثناء دراستها لما بعد الدكتوراه.
بيتر فريد، جامعة كارلتون
جراهام جودارد، ماكجيل
بير أندرسون، جامعة أوسلو
جون أوكيف، جامعة كاليفورنيا