Πώς ο εγκέφαλος διακρίνει ασαφείς υποθέσεις

Η πρόκληση της πλοήγησης σε ασαφή περιβάλλοντα

Όταν βρισκόμαστε σε ένα περιβάλλον που δεν γνωρίζουμε καλά, συχνά βασιζόμαστε σε μοναδικά ορόσημα για να προσανατολιστούμε. Ωστόσο, αν ψάχνουμε για ένα γραφείο σε ένα κτίριο από τούβλα και υπάρχουν πολλά τέτοια κτίρια στη διαδρομή μας, μπορεί να χρησιμοποιήσουμε έναν κανόνα όπως το να ψάχνουμε το δεύτερο κτίριο στο δρόμο, αντί να προσπαθούμε να διακρίνουμε το ίδιο το κτίριο.

Μέχρι να λυθεί αυτή η ασάφεια, πρέπει να έχουμε στο νου μας ότι υπάρχουν πολλές πιθανότητες (ή υποθέσεις) για το πού βρισκόμαστε σε σχέση με τον προορισμό μας. Σε μια μελέτη σε ποντίκια, οι νευροεπιστήμονες του MIT ανακάλυψαν ότι αυτές οι υποθέσεις εκπροσωπούνται ρητά στον εγκέφαλο μέσω διακριτών προτύπων νευρωνικής δραστηριότητας.

Η ανακάλυψη της νευρωνικής κωδικοποίησης υποθέσεων

Για πρώτη φορά, παρατηρήθηκαν πρότυπα νευρωνικής δραστηριότητας που κωδικοποιούν ταυτόχρονες υποθέσεις στον εγκέφαλο. Οι ερευνητές βρήκαν ότι αυτές οι αναπαραστάσεις, που παρατηρήθηκαν στον οπισθοσπληνιακό φλοιό (RSC) του εγκεφάλου, όχι μόνο κωδικοποιούν υποθέσεις αλλά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν από τα ζώα για να επιλέξουν τη σωστή κατεύθυνση.

«Όσο γνωρίζουμε, κανείς δεν έχει δείξει σε μια σύνθετη λογική εργασία ότι υπάρχει μια περιοχή στον συσχετιστικό φλοιό που διατηρεί δύο υποθέσεις στο μυαλό και στη συνέχεια χρησιμοποιεί μία από αυτές τις υποθέσεις, μόλις αποκτήσει περισσότερες πληροφορίες, για να ολοκληρώσει πραγματικά την εργασία», λέει ο Mark Harnett, αναπληρωτής καθηγητής των εγκεφαλικών και γνωστικών επιστημών και μέλος του Ινστιτούτου McGovern για την Έρευνα του Εγκεφάλου στο MIT.

Ο ρόλος των ασαφών ορόσημων

Ο οπισθοσπληνιακός φλοιός (RSC) λαμβάνει εισροές από τον οπτικό φλοιό, τη σχηματική του ιπποκάμπου και τον πρόσθιο θάλαμο, τις οποίες ενσωματώνει για να βοηθήσει στην καθοδήγηση της πλοήγησης. Σε μια μελέτη του 2020, το εργαστήριο του Harnett διαπίστωσε ότι ο RSC χρησιμοποιεί τόσο οπτικές όσο και χωρικές πληροφορίες για να κωδικοποιήσει ορόσημα που χρησιμοποιούνται για την πλοήγηση.

Στη νέα τους μελέτη, οι ερευνητές ήθελαν να εμβαθύνουν στο πώς ο RSC χρησιμοποιεί χωρικές πληροφορίες και το πλαίσιο της κατάστασης για να καθοδηγήσει τις αποφάσεις πλοήγησης. Για να το πετύχουν αυτό, σχεδίασαν μια πολύ πιο περίπλοκη εργασία πλοήγησης από αυτές που συνήθως χρησιμοποιούνται σε μελέτες με ποντίκια. Δημιούργησαν μια μεγάλη, στρογγυλή αρένα με 16 μικρά ανοίγματα στις πλευρικές τοιχοποιίες. Ένα από αυτά τα ανοίγματα θα έδινε στα ποντίκια μια ανταμοιβή όταν έβαζαν τη μύτη τους μέσα.

Πειράματα και ευρήματα

Αρχικά, τα ποντίκια εκπαιδεύτηκαν να πηγαίνουν σε διαφορετικά ανοίγματα ανταμοιβής που υποδεικνύονταν από κουκκίδες φωτός στο πάτωμα, οι οποίες ήταν ορατές μόνο όταν τα ποντίκια πλησίαζαν κοντά. Αφού έμαθαν αυτή την απλή εργασία, οι ερευνητές πρόσθεσαν μια δεύτερη κουκκίδα. Οι δύο κουκκίδες είχαν πάντα την ίδια απόσταση μεταξύ τους και από το κέντρο της αρένας, αλλά τώρα τα ποντίκια έπρεπε να πάνε στο άνοιγμα δίπλα στην κουκκίδα που ήταν αντίθετα με τη φορά των δεικτών του ρολογιού για να πάρουν την ανταμοιβή.

Για να λύσουν αυτή την εργασία, τα ποντίκια έπρεπε να θυμούνται πού περίμεναν να εμφανιστεί μια κουκκίδα, ενσωματώνοντας τη δική τους θέση, την κατεύθυνση που κατευθύνονταν και τη διαδρομή που ακολούθησαν για να καταλάβουν ποιο ορόσημο είναι ποιο. Μετρώντας τη δραστηριότητα του RSC καθώς τα ποντίκια πλησίαζαν τα ασαφή ορόσημα, οι ερευνητές μπορούσαν να καθορίσουν αν ο RSC κωδικοποιεί υποθέσεις για τη χωρική τοποθεσία.

Η σημασία της μνήμης και της υπολογιστικής επεξεργασίας

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι καθώς τα ποντίκια συγκέντρωναν πληροφορίες για το ποια κουκκίδα μπορεί να είναι ποια, οι πληθυσμοί των νευρώνων του RSC έδειχναν διακριτά πρότυπα δραστηριότητας για ελλιπείς πληροφορίες. Κάθε ένα από αυτά τα πρότυπα φαίνεται να αντιστοιχεί σε μια υπόθεση για το πού το ποντίκι νόμιζε ότι βρισκόταν σε σχέση με την ανταμοιβή.

Όταν τα ποντίκια πλησίαζαν αρκετά για να καταλάβουν ποια κουκκίδα υποδείκνυε το άνοιγμα ανταμοιβής, αυτά τα πρότυπα κατέρρεαν στο ένα που αντιπροσώπευε τη σωστή υπόθεση. Τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι αυτά τα πρότυπα όχι μόνο αποθηκεύουν παθητικά υποθέσεις, αλλά μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να υπολογίσουν πώς να φτάσουν στη σωστή τοποθεσία.

Διασυνδεδεμένοι νευρώνες και μελλοντικές έρευνες

Κατά την ανάλυση των αρχικών αποτελεσμάτων τους, ο Harnett και ο Voigts συνεργάστηκαν με την καθηγήτρια του MIT, Ila Fiete, η οποία είχε εκτελέσει μια μελέτη πριν από περίπου 10 χρόνια χρησιμοποιώντας ένα τεχνητό νευρωνικό δίκτυο για να εκτελέσει μια παρόμοια εργασία πλοήγησης. Αυτή η μελέτη έδειξε ότι το νευρωνικό δίκτυο εμφάνιζε πρότυπα δραστηριότητας που ήταν εννοιολογικά παρόμοια με αυτά που παρατηρήθηκαν στις μελέτες των ζώων που διεξήχθησαν από το εργαστήριο του Harnett.

«Αυτή η διασυνδεσιμότητα φαίνεται, με τρόπους που ακόμα δεν κατανοούμε πλήρως, να είναι το κλειδί για το πώς αναδύονται αυτές οι δυναμικές και πώς ελέγχονται. Και είναι ένα βασικό χαρακτηριστικό του πώς ο RSC διατηρεί αυτές τις δύο υποθέσεις στο μυαλό ταυτόχρονα», λέει ο Harnett.

Στο εργαστήριό του στο Janelia, ο Voigts σχεδιάζει τώρα να ερευνήσει πώς άλλες περιοχές του εγκεφάλου