Στο Brain Waves, οι επιστήμονες βλέπουν τους νευρώνες να ταχυδακτυλουργούν πιθανά μέλλοντα

Αποφάσεις, αποφάσεις. Όλοι μας βρισκόμαστε συνεχώς αντιμέτωποι με συνειδητές και ασυνείδητες επιλογές. Όχι μόνο για το τι να φορέσουμε, τι να φάμε ή πώς να περάσουμε ένα Σαββατοκύριακο, αλλά και για το ποιο χέρι να χρησιμοποιήσουμε όταν παίρνουμε ένα μολύβι ή αν θα μετατοπίσουμε το βάρος μας σε μια καρέκλα. Για να πάρουμε ακόμη και ασήμαντες αποφάσεις, ο εγκέφαλός μας κοσκινίζει μέσα από ένα σωρό «τι θα γινόταν αν» και ζυγίζει τα υποθετικά. Ακόμη και για επιλογές που φαίνονται αυτόματες - για παράδειγμα, το να πηδήξετε από το δρόμο ενός αυτοκινήτου με ταχύτητα - ο εγκέφαλος μπορεί πολύ γρήγορα να κάνει παρέκταση από προηγούμενες εμπειρίες για να κάνει προβλέψεις και να καθοδηγήσει τη συμπεριφορά.

Σε μια εργασία που δημοσιεύθηκε τον περασμένο μήνα στο Cell , μια ομάδα ερευνητών στην Καλιφόρνια κοίταξε τους εγκεφάλους των αρουραίων στο κατώφλι της λήψης μιας απόφασης και παρακολούθησαν τους νευρώνες τους να παίζουν γρήγορα τις ανταγωνιστικές επιλογές που είχαν στη διάθεσή τους. Ο μηχανισμός που περιέγραψαν μπορεί να βασίζεται όχι μόνο στη λήψη αποφάσεων, αλλά και στην ικανότητα των ζώων να οραματίζονται πιο αφηρημένες δυνατότητες — κάτι παρόμοιο με τη φαντασία.

Η ομάδα, με επικεφαλής τη νευροεπιστήμονα Loren Frank του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Σαν Φρανσίσκο, ερεύνησε τη δραστηριότητα των κυττάρων στον ιππόκαμπο, την περιοχή του εγκεφάλου σε σχήμα ιππόκαμπου που είναι γνωστό ότι παίζει κρίσιμους ρόλους τόσο στην πλοήγηση όσο και στην αποθήκευση και ανάκτηση αναμνήσεων. Έδωσαν ιδιαίτερη προσοχή στους νευρώνες που ονομάζονται κύτταρα τόπου, με το παρατσούκλι «το GPS του εγκεφάλου», επειδή χαρτογραφούν νοερά την τοποθεσία ενός ζώου καθώς κινείται στο διάστημα.

Τα κύτταρα του τόπου έχει αποδειχθεί ότι πυροδοτούν πολύ γρήγορα σε συγκεκριμένες αλληλουχίες καθώς ένα ζώο κινείται στο περιβάλλον του. Η δραστηριότητα αντιστοιχεί σε ένα σκούπισμα στη θέση από ακριβώς πίσω από το ζώο μέχρι ακριβώς μπροστά του. (Μελέτες έχουν δείξει ότι αυτές οι σαρώσεις προς τα εμπρός περιέχουν επίσης πληροφορίες σχετικά με τις τοποθεσίες των στόχων ή των ανταμοιβών.) Αυτά τα μοτίβα νευρικής δραστηριότητας, που ονομάζονται κύκλοι θήτα, επαναλαμβάνονται περίπου οκτώ φορές το δευτερόλεπτο σε αρουραίους και αντιπροσωπεύουν μια συνεχώς ενημερωμένη εικονική τροχιά για τα ζώα. /P>

Όμως, όπως ο Frank και η ομάδα του ανακάλυψαν τώρα, όταν ένα ζώο πρόκειται να δράσει, η νευρική δραστηριότητα που σχετίζεται με τους κύκλους θήτα κάνει ping μεταξύ διαφορετικών πιθανών μελλοντικών μονοπατιών — όχι μόνο για να κάνει προβλέψεις για το τι πρόκειται να ακολουθήσει, αλλά ως ένα είδος υψηλής ταχύτητας, εμπρός και πίσω γευστικό τεστ από έναν μπουφέ με επερχόμενες ενέργειες.

Εναλλασσόμενα σενάρια στα εγκεφαλικά κύματα

Οι ερευνητές εκπαίδευσαν αρουραίους να κάνουν εναλλασσόμενες διαδρομές μέσα από έναν λαβύρινθο σχήματος W, ενώ τα ηλεκτρόδια καταγράφονταν από τα κελιά του τόπου τους. Τα ζώα έτρεξαν μέσα από τον κεντρικό βραχίονα του λαβύρινθου και μετά έστριψαν είτε αριστερά είτε δεξιά. Αλλά καθώς τα τρωκτικά πλησίαζαν στο σημείο όπου έπρεπε να αποφασίσουν προς ποια κατεύθυνση θα στρίψουν, οι επιστήμονες παρατήρησαν κάτι περίεργο σχετικά με τη συμπεριφορά των κυττάρων του τόπου τους.

Οι αρουραίοι είχαν κελιά που πυροβολούσαν στον κεντρικό βραχίονα του λαβύρινθου λίγο πριν (και καθώς) στρίψουν αριστερά, και άλλοι που πυροβολούσαν λίγο πριν (και καθώς) στρίψουν δεξιά. Φαινόταν λογικό ότι καθώς ένας αρουραίος πλησίαζε το σημείο καμπής, και τα δύο σετ κυττάρων πυροδοτούσαν μερικές φορές μαζί:Σε αυτήν την περιοχή του λαβύρινθου, η κοινή δραστηριότητα των κυττάρων θα αντικατόπτριζε την τρέχουσα θέση του ζώου. Αλλά αυτό δεν συνέβη ποτέ.

Αντίθετα, τα κελιά πυροβολούσαν εναλλάξ. Ήταν σαν, προτού το ζώο δεσμευτεί σε μια διαδρομή, ο ιππόκαμπός του επεξεργαζόταν και τις δύο επιλογές "αριστερά" και "δεξιά" για τις τοποθεσίες που θα αντιμετώπιζε στο μέλλον εναλλάσσοντάς τις μεταξύ τους — και διατηρώντας τις πάντα διακριτές.

«Ο εγκέφαλος δούλευε σκληρά για να κρατήσει αυτά τα πράγματα χωριστά», είπε ο Φρανκ. "Το ερώτημα ήταν γιατί."

Προηγούμενη εργασία του Ντέιβιντ Ρέντις, ενός νευροεπιστήμονα στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα, και του αείμνηστου Άνταμ Τζόνσον έδειξε παρόμοια είδη σαρώσεων πέρα ​​δώθε μέσα από πιθανά μελλοντικά κύτταρα στα κελιά των ζώων που περιηγούνται στους λαβύρινθους. Αλλά αυτές οι αλλαγές φάνηκαν να συνδέονται με πιο διαβουλευτικές ενέργειες και το ζευγάρι δεν διερεύνησε εάν οι αναπαραστάσεις "αριστερά" ή "δεξιά" εμφανίστηκαν τυχαία ή πιο συστηματικά.

Αντίθετα, οι εναλλαγές που εντόπισε η ομάδα του UCSF ευθυγραμμίστηκαν με ακρίβεια με κάθε άλλο κύκλο του ρυθμού θήτα. Ο ιππόκαμπος παρήγαγε μια αναπαράσταση της επιλογής στροφής προς τα αριστερά κατά τη διάρκεια ενός κύκλου και μετά άλλαξε στην επιλογή στροφής προς τα δεξιά για τον επόμενο. Τα σενάρια δεν εναλλάσσονταν πάντα τέλεια σε όλο το πείραμα - περιστασιακά το ίδιο θα παρέμενε για μερικούς κύκλους - αλλά η δομή στα σήματα ήταν αναμφισβήτητη. Οι ακολουθίες των 125 χιλιοστών του δευτερολέπτου φάνηκαν να διαχωρίζουν τις διαφορετικές υποθέσεις του εγκεφάλου για το μέλλον σε ένα συνεχές και συνεπές συνολικό πλαίσιο.

«Αυτό που είναι εκπληκτικό εδώ είναι η κανονικότητα. Είναι πολύ απίστευτο», δήλωσε ο György Buzsáki, νευροεπιστήμονας στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης που δεν συμμετείχε στη νέα έρευνα. «Είναι μια σχέση ένας προς έναν:Ένας κύκλος είναι αριστερά, ένας κύκλος είναι δεξιά, μετά αριστερά και μετά δεξιά». Το πλεονέκτημα αυτής της εξαιρετικά δομημένης ρύθμισης θα μπορούσε να είναι ότι κάθε σενάριο «τι θα γινόταν αν» δοκιμάζεται με ισορροπημένο, τακτοποιημένο τρόπο, είπε.

Όταν ο Frank και οι συνεργάτες του εξέτασαν ακόμη πιο προσεκτικά τη νευρική δραστηριότητα κατά τους ρυθμούς θήτα, διαπίστωσαν ότι το πρώτο μέρος κάθε κύκλου αντιστοιχούσε στο σημείο που βρισκόταν ο αρουραίος και το δεύτερο μέρος έδειξε την αριστερή ή τη δεξιά εναλλακτική. Το όλο μοτίβο έμοιαζε κάπως με:τρέχουσα τοποθεσία, δυνατότητα μετάβασης αριστερά, τρέχουσα τοποθεσία, δυνατότητα μετάβασης δεξιά και επανάληψη.

Διατήρηση όλων των επιλογών διαθέσιμες

Άλλα ενδιαφέροντα μοτίβα προέκυψαν επίσης από τα δεδομένα. Οι ερευνητές διαπίστωσαν, για παράδειγμα, ότι οι κύκλοι θήτα όχι μόνο κινούνται μεταξύ των πιθανοτήτων αριστερά-δεξιά που βλέπει ο αρουραίος στον λαβύρινθο, αλλά ότι μερικές φορές μεμονωμένοι κύκλοι θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν τη δυνατότητα αντιστροφής της διαδρομής του. Αυτό το εύρημα ήταν μπερδεμένο, γιατί δεν φαινόταν σαν μια επιλογή που έπρεπε να εξετάσει ο αρουραίος εκείνη τη στιγμή.

Αυτό το γεγονός έρχεται σε αντίθεση με την ιδέα ότι ο ιππόκαμπος απλώς προβλέπει τι θα συναντήσει το ζώο στη συνέχεια, σύμφωνα με τον Kenneth Kay, μεταδιδακτορικό ερευνητή στο Πανεπιστήμιο Columbia και τον πρώτο συγγραφέα του Cell χαρτί. "Υποδηλώνει ότι η δομή του κύκλου είναι ένας δυνητικά καθολικός τρόπος συσχέτισης των διαφόρων πραγμάτων που μπορεί να κωδικοποιήσει ο ιππόκαμπος."

Σε αυτή την περίπτωση, ο Φρανκ είπε, «μοιάζει με μια ρητή αναπαράσταση της σκέψης:«Αν πήγαινα προς την αντίθετη κατεύθυνση, τι θα συνέβαινε και αξίζει να γυρίσω;»

Επομένως, ο ρυθμός θήτα φαίνεται να έχει πιο γενικό σκοπό όταν πρόκειται για την κωδικοποίηση υποθετικών. Κάθε κύκλος «περιέχει ιδιαίτερο περιεχόμενο», είπε ο Mark Brandon, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο McGill που δεν συμμετείχε στη μελέτη. «Μπορεί να είναι «στρίψτε αριστερά» ή «στρίψτε δεξιά». Αλλά σε ευρύτερους όρους, θα μπορούσε να είναι ότι μια συγκεκριμένη μνήμη ή ένα συγκεκριμένο γεγονός που έχει συμβεί, κωδικοποιείται σε αυτά τα κομμάτια των 125 χιλιοστών του δευτερολέπτου που παρέχονται από τις ταλαντώσεις θήτα».

Η Redish, η οποία δεν συμμετείχε στη νέα έρευνα, συμφώνησε. «Δεν αντιπροσωπεύει απλώς το χώρο, αλλά κάποιο είδος επεισοδιακής δομής», είπε. "Πρόκειται πραγματικά για εξέταση των επιλογών σας."

Ίσως, λένε οι ερευνητές, ο κύκλος θήτα είναι μια θεμελιώδης υπολογιστική μονάδα που χρησιμοποιεί ο ιππόκαμπος για να ερευνήσει τέτοιες αφηρημένες επιλογές. Τις περισσότερες φορές, το περιεχόμενό του είναι πιθανό να βασίζεται στην εμπειρία και μπορεί να επιτρέψει στο ζώο να ανταποκριθεί γρήγορα και ευέλικτα σε ένα μεταβαλλόμενο περιβάλλον - για να ξεφύγει από ένα αρπακτικό, ας πούμε. Αλλά «η δουλειά μας δείχνει επίσης ότι δεν χρειάζεται απαραίτητα να μας βοηθήσει με άμεσο ή εξαιρετικά προφανή τρόπο στο μέλλον», είπε ο Kay. "Μπορεί να παίζει ρόλο στη δημιουργικότητα, σε παραγωγικές ή φανταστικές διαδικασίες ευρύτερα."

Αυτή η πιθανότητα τοποθετεί τον ιππόκαμπο ως μια περιοχή του εγκεφάλου που δεν βοηθά μόνο στη λήψη αποφάσεων μέσω των λειτουργιών που σχετίζονται με τη μνήμη. Αντίθετα, θα πρέπει να θεωρείται ως μια δομή μάθησης, κάτι που δημιουργεί και δείγματα από φανταστικά μέλλοντα, προσομοιώνοντας επιλογές για άλλες περιοχές του εγκεφάλου για αξιολόγηση και δράση. Οι κύκλοι θήτα φαίνεται να είναι ένα ξεκάθαρο σημείο εισόδου για την αποκάλυψη του τρόπου λειτουργίας.

Τα παράθυρα κλάσματος του δευτερολέπτου μπορεί επίσης να είναι κρίσιμα για την κατανόηση άλλων γνωστικών διεργασιών ή νευρολογικών καταστάσεων. Συχνά, οι μελέτες των νευρικών διεργασιών κατά μέσο όρο της κυτταρικής δραστηριότητας κατά τη διάρκεια μιας δοκιμής. η εργασία του Frank και των συναδέλφων του καταδεικνύει τη σημασία της ανάλυσης πληροφοριών που συσκευάζονται σε πολύ πιο γρήγορα χρονικά διαστήματα.

Οι ερευνητές εξετάζουν τώρα τον μηχανισμό που δημιουργεί τα εναλλασσόμενα μοτίβα που παρατήρησαν και πώς αυτή η δραστηριότητα επηρεάζει άλλα μέρη του εγκεφάλου κατά τη λήψη αποφάσεων. Εκτελούν επίσης πειράματα λαβύρινθου που περιλαμβάνουν περισσότερα από δύο εναλλακτικά σενάρια. Ενώ οι εγκεφαλικοί ρυθμοί των τρωκτικών διαφέρουν από εκείνους των ανθρώπων, οι ερευνητές ελπίζουν ότι τα ευρήματά τους θα ισχύουν και για άλλα είδη.

«Ξύνουμε μόνο την επιφάνεια της κατανόησης της λεπτής χρονικής δομής της γνώσης και της φαντασίας», είπε ο Kay. "Είναι διασκεδαστικό να το σκέφτεσαι."

Σημείωση του συντάκτη:Το έργο της Λόρεν Φρανκ χρηματοδοτείται εν μέρει από το Ίδρυμα Simons, το οποίο χρηματοδοτεί επίσης αυτό το εκδοτικά ανεξάρτητο περιοδικό.