Οι εγκέφαλοι επιταχύνουν την αντίληψη μαντεύοντας τι θα ακολουθήσει
Φανταστείτε να μαζεύετε ένα ποτήρι από αυτό που νομίζετε ότι είναι χυμός μήλου, μόνο για να πιείτε μια γουλιά και να ανακαλύψετε ότι στην πραγματικότητα είναι μπύρα τζίντζερ. Παρόλο που συνήθως αγαπάτε τη σόδα, αυτή τη φορά έχει τρομερή γεύση. Αυτό συμβαίνει επειδή το πλαίσιο και οι εσωτερικές καταστάσεις, συμπεριλαμβανομένης της προσδοκίας, επηρεάζουν τον τρόπο με τον οποίο όλα τα ζώα αντιλαμβάνονται και επεξεργάζονται τις αισθητηριακές πληροφορίες, εξήγησε ο Alfredo Fontanini, νευροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο Stony Brook στη Νέα Υόρκη. Σε αυτήν την περίπτωση, η πρόβλεψη του λάθος ερεθίσματος οδηγεί σε μια έκπληξη και μια αρνητική απάντηση.
Αλλά αυτή η επιρροή δεν περιορίζεται στην ποιότητα της αντίληψης. Μεταξύ άλλων επιπτώσεων, τα αισθητήρια συστήματα εκκίνησης για να περιμένουν μια είσοδο, καλή ή κακή, μπορούν επίσης να επιταχύνουν το πόσο γρήγορα το ζώο ανιχνεύει, αναγνωρίζει και αντιδρά σε αυτό.
Πριν από χρόνια, ο Fontanini και η ομάδα του βρήκαν άμεσες νευρικές ενδείξεις αυτού του φαινομένου επιτάχυνσης στον γευστικό φλοιό, το τμήμα του εγκεφάλου που είναι υπεύθυνο για την αντίληψη της γεύσης. Από τότε, προσπαθούν να εντοπίσουν τη δομή του φλοιώδους κυκλώματος που κατέστησε δυνατά τα αποτελέσματά τους. Τώρα έχουν. Τον περασμένο μήνα, δημοσίευσαν τα ευρήματά τους στο Nature Neuroscience :ένα μοντέλο δικτύου με ένα συγκεκριμένο είδος αρχιτεκτονικής που όχι μόνο παρέχει νέες ιδέες για το πώς λειτουργεί η προσδοκία, αλλά εμβαθύνει επίσης σε ευρύτερα ερωτήματα σχετικά με το πώς οι επιστήμονες πρέπει να σκέφτονται γενικότερα την αντίληψη. Επιπλέον, συμβαδίζει με μια θεωρία λήψης αποφάσεων που υποδηλώνει ότι ο εγκέφαλος πραγματικά πηδά σε συμπεράσματα, αντί να βασίζεται σε αυτά.
Ταχύτερες αισθήσεις και ενεργές καταστάσεις
Η γεύση, η λιγότερο μελετημένη από τις αισθήσεις, ήταν το τέλειο μέρος για να ξεκινήσετε. Αφού χτυπήσει μια γεύση στη γλώσσα, περνούν μερικές εκατοντάδες χιλιοστά του δευτερολέπτου προτού η δραστηριότητα στον γευστικό φλοιό αρχίσει να αντανακλά την είσοδο. «Σε όρους εγκεφάλου, αυτό είναι σαν για πάντα», είπε ο Ντον Κατς, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο Brandeis στη Μασαχουσέτη (στο εργαστήριο του οποίου ο Fontanini έκανε τη μεταδιδακτορική του εργασία). "Στον οπτικό φλοιό, χρειάζεται ένα κλάσμα αυτού του χρόνου", καθιστώντας πολύ πιο δύσκολο να διακρίνουμε το αποτέλεσμα της προσδοκίας που ήθελαν να μελετήσουν αυτοί οι ερευνητές.
Το 2012, ο Fontanini και οι συνεργάτες του πραγματοποίησαν ένα πείραμα στο οποίο οι αρουραίοι άκουσαν έναν ήχο (ένα «προληπτικό σύνθημα») και στη συνέχεια έλαβαν μια μικρή έκρηξη γεύσης μέσω ενός σωλήνα στο στόμα τους. Η ίδια η γεύση θα μπορούσε να είναι γλυκιά, αλμυρή, ξινή ή πικρή και η προκαταρκτική ένδειξη δεν περιείχε πληροφορίες σχετικά με το ποιο από τα τέσσερα μπορεί να είναι.
Ακόμα κι έτσι, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τέτοιες γενικές προσδοκίες θα μπορούσαν να οδηγήσουν τους νευρώνες στον γευστικό φλοιό να αναγνωρίσουν το ερέθισμα σχεδόν δύο φορές πιο γρήγορα από ό,τι όταν οι αρουραίοι έλαβαν τη γεύση χωρίς να ακούσουν πρώτα τον ήχο. Η περίοδος καθυστέρησης μειώθηκε από περίπου 200 χιλιοστά του δευτερολέπτου σε μόνο περίπου 120 χιλιοστά του δευτερολέπτου.
Ο Fontanini ήθελε να μάθει τι είδους νευρωνικό δίκτυο θα μπορούσε θεωρητικά να επιτρέψει αυτή την πιο γρήγορη κωδικοποίηση. Και έτσι έφερε κάποιον έξω από το γευστικό πεδίο στο μωρό:τον συνάδελφο νευροβιολόγο του Stony Brook, Τζιανκάρλο Λα Κάμερα, ο οποίος είχε εργαστεί στο παρελθόν στη διαμόρφωση της αυθόρμητης εγκεφαλικής δραστηριότητας που εμφανίζεται ακόμη και απουσία ερεθίσματος.
Οι τελευταίες δεκαετίες έχουν υπογραμμίσει όλο και περισσότερο ότι μεγάλο μέρος της δραστηριότητας στα αισθητήρια δίκτυα δημιουργείται εγγενώς, αντί να οδηγείται από εξωτερικά ερεθίσματα. Συγκρίνετε τη δραστηριότητα στον οπτικό φλοιό ενός ζώου στο απόλυτο σκοτάδι με αυτή ενός ζώου που κοιτάζει γύρω του και είναι δύσκολο να ξεχωρίσετε τα δύο. Ακόμη και απουσία φωτός, σύνολα νευρώνων στον φλοιό αρχίζουν να πυροδοτούνται μαζί, είτε ταυτόχρονα είτε σε προβλέψιμα κύματα. Αυτή η συσχετισμένη πυροδότηση παραμένει ως μια λεγόμενη μετασταθερή κατάσταση για οπουδήποτε από μερικές εκατοντάδες χιλιοστά του δευτερολέπτου έως μερικά δευτερόλεπτα, και στη συνέχεια το μοτίβο πυροδότησης μετατοπίζεται σε άλλη διαμόρφωση. Η μετασταθερότητα ή η τάση μεταπήδησης μεταξύ παροδικών καταστάσεων, συνεχίζεται μετά την εισαγωγή ενός ερεθίσματος, αλλά ορισμένες καταστάσεις τείνουν να προκύπτουν πιο συχνά για ένα συγκεκριμένο ερέθισμα και επομένως θεωρούνται ως "καταστάσεις κωδικοποίησης".
Ο La Camera και άλλοι (συμπεριλαμβανομένου του Katz) είχαν προηγουμένως μοντελοποιήσει τη μετασταθερότητα δημιουργώντας αυτό που ονομάζεται ομαδοποιημένο δίκτυο. Σε αυτό, ομάδες διεγερτικών νευρώνων είχαν ισχυρές διασυνδέσεις, αλλά οι ανασταλτικοί νευρώνες συνδέονταν επίσης τυχαία με τους διεγερτικούς, γεγονός που πρόσθεσε ένα ευρύ αποτέλεσμα απόσβεσης στο σύστημα. "Αυτή η ομαδοποιημένη αρχιτεκτονική είναι θεμελιώδης για την παραγωγή μετασταθερότητας", είπε ο Fontanini.
Ο Fontanini, ο La Camera και ο μεταδιδακτορικός τους συνεργάτης Luca Mazzucato (τώρα στο Πανεπιστήμιο του Όρεγκον) διαπίστωσαν ότι η ίδια δομή δικτύου ήταν θεμελιώδης και για την αναδημιουργία των επιπτώσεων της προσδοκίας. Σε ένα μετασταθερό μοντέλο με ομαδοποιημένη αρχιτεκτονική, οι ερευνητές προσομοίωσαν μια γενική προκαταρκτική ένδειξη που ακολουθείται από την άφιξη ενός συγκεκριμένου γευστικού ερεθίσματος. Όταν το έκαναν αυτό, αναπαρήγαγαν με επιτυχία το μοτίβο της επιταχυνόμενης κωδικοποίησης που είχε παρατηρήσει ο Fontanini σε αρουραίους το 2012:Οι μεταβάσεις από τη μία μετασταθερή κατάσταση στην επόμενη έγιναν ταχύτερες, γεγονός που επέτρεψε επίσης στο σύστημα να φτάσει σε καταστάσεις κωδικοποίησης πιο γρήγορα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι απλά χτίζοντας ένα δίκτυο για να δείξει αυτά τα μετασταθερά μοτίβα δραστηριότητας, «μπορείτε επίσης να συλλάβετε πολλές από τις νευρολογικές αποκρίσεις ... όταν προσομοιώνετε μια γευστική εισαγωγή», είπε ο Fontanini.
Όταν οι ερευνητές προσπάθησαν να μοντελοποιήσουν την προκαταρκτική ένδειξη και το ερέθισμα σε ένα δίκτυο χωρίς συστάδες, δεν μπόρεσαν να δημιουργήσουν τα αποτελέσματα του 2012. Και έτσι «μόνο ορισμένοι τύποι δικτύων επιτρέπουν να συμβεί αυτό [επίδραση]», είπε ο Katz.
Μια λιγότερο επίπονη πεζοπορία
Το εύρημα ήταν αξιοσημείωτο, πρώτον, για την παροχή πληροφοριών σχετικά με το είδος της αρχιτεκτονικής που πρέπει να αναζητηθεί στον πραγματικό γευστικό φλοιό — και ίσως και σε άλλους αισθητηριακούς φλοιούς. Επί του παρόντος, οι νευροεπιστήμονες συζητούν πώς επεξεργάζεται η γεύση:Μερικοί υποστηρίζουν ότι ορισμένοι νευρώνες μπορεί να κωδικοποιούν το «γλυκό» και άλλοι το «αλμυρό», δημιουργώντας πολύ συγκεκριμένες νευρικές υπογραφές για συγκεκριμένες γεύσεις. Άλλοι το συνδέουν με ευρύτερα πρότυπα δραστηριότητας. Οι περισσότεροι νευρώνες ανταποκρίνονται στα περισσότερα γούστα και μια δεδομένη νευρική υπογραφή συσχετίζεται πιο χονδρικά με τη μια γεύση έναντι της άλλης. Η δουλειά που έγινε από τον Fontanini και τους συναδέλφους του υποστηρίζει την τελευταία θεωρία παρέχοντας παράλληλα προβλέψεις για το πώς θα πρέπει να μοιάζει αυτή η συνδεσιμότητα. Τα σμήνη από μόνα τους «συλλαμβάνουν πολλά, πολλά χαρακτηριστικά του γευστικού φλοιού», είπε ο Fontanini:«την αυθόρμητη δραστηριότητα, τα μοτίβα απόκρισης στη γεύση, το φαινόμενο της προσδοκίας». Ελπίζει να συνεχίσει να ερευνά πώς σχηματίζονται αυτά τα συμπλέγματα και ποια άλλα είδη νευρικής δραστηριότητας επηρεάζουν.
Το έργο απεικονίζει επίσης μια εικόνα του νευρικού υποστρώματος που κρύβεται πίσω από την προσδοκία στον εγκέφαλο. Δεν είναι μόνο ότι ένα προληπτικό σύνθημα διεγείρει συγκεκριμένους νευρώνες ή προκαλεί ένα συγκεκριμένο σύνολο καταστάσεων, οι οποίες στη συνέχεια κωδικοποιούν το ερέθισμα. Αντίθετα, είναι πιο σημαντικό ότι η προσδοκία φαινόταν να τροποποιεί τη δυναμική —δηλαδή, την ταχύτητα μεταγωγής— ολόκληρου του συστήματος.
Ο Fontanini και ο La Camera παρομοιάζουν αυτή τη δυναμική με μια μπάλα που κινείται μέσα σε ένα τοπίο γεμάτο γούρνες. Αυτές οι τσέπες ή κοιλάδες αντιπροσωπεύουν καταστάσεις απόκρισης και η προσμονή στρέφει το τοπίο έτσι ώστε η μπάλα να πέσει στην πρώτη κοιλότητα πιο γρήγορα. Επίσης, εξομαλύνει το λοφώδες μονοπάτι που πρέπει να διασχίσει η μπάλα ανάμεσα σε γούρνες, διευκολύνοντας τη μετάβαση από τη μια κατάσταση στην άλλη χωρίς να κολλήσει.
Δηλαδή, η προσδοκία κάνει το δίκτυο λίγο λιγότερο κολλώδες. Επιτρέπει μια ευκολότερη πεζοπορία προς τις πολιτείες που κωδικοποιούν μια πραγματική γεύση, αλλά δεν παρέχει τόσο μεγάλη σταθερότητα ώστε το σύστημα να κολλήσει σε μια ενιαία κατάσταση. Αυτό είναι ένα πρόβλημα που συχνά μαστίζει αυτού του είδους τα ομαδοποιημένα δίκτυα:Με μια τέτοια ομαδοποίηση, ορισμένες καταστάσεις «κατώτερης επιφάνειας» καταλήγουν να είναι πολύ βαθιές και το σύστημα ενισχύει τις εσφαλμένες πληροφορίες. Αλλά αυτά τα ευρήματα δείχνουν ότι "δεν χρειάζεται ένα περίπλοκο σύστημα" για να το λύσετε αυτό, είπε ο Georg Keller, ένας νευροεπιστήμονας που μελετά την οπτική επεξεργασία στο Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research στην Ελβετία.
Οι Fontanini και La Camera ελπίζουν ότι αυτού του είδους ο μηχανισμός θα μπορούσε επίσης να εξηγήσει τα αποτελέσματα άλλων διαδικασιών ρύθμισης περιβάλλοντος πέρα από τις προσδοκίες, όπως η προσοχή και η μάθηση. Αλλά ίσως «η πιο σημαντική επίπτωση [της δουλειάς μας] είναι ότι μετατοπίζει την εστίαση από τις στατικές αποκρίσεις πυροδότησης των νευρώνων που κωδικοποιούν πράγματα, στις δυναμικές συμπεριφορές των νευρώνων», είπε ο La Camera.
Ενώ μια προσέγγιση δυναμικών συστημάτων στη νευροεπιστήμη δεν είναι σχεδόν νέα, ήταν δύσκολο να δοκιμαστεί και να μοντελοποιηθεί. Ο τρόπος με τον οποίο οι ειδικοί σκέφτονται για τη βασική αισθητηριακή αντίληψη τείνει προς την ιεραρχική:Ο φλοιός δημιουργεί και ενσωματώνει χαρακτηριστικά για να σχηματίσει αντιλήψεις, στέλνοντας σήματα σε άλλα επίπεδα του δικτύου που ενσωματώνουν ακόμη περισσότερες πληροφορίες έως ότου ο εγκέφαλος καταλήξει τελικά σε μια απόφαση ή συμπεριφορά.
Όχι έτσι σε αυτή τη νέα δουλειά. Αντίθετα, τα αποτελέσματα της ομάδας υποστηρίζουν ένα διαφορετικό είδος επεξεργασίας στο οποίο «όλα αυτά συμβαίνουν ταυτόχρονα, και… πριν καν φτάσει το ερέθισμα», είπε η Leslie Kay, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο που εστιάζει στην όσφρηση. "Μαθαίνεις πράγματα μέσα σε μια περιοχή του φλοιού", σχηματίζοντας ένα σύστημα συνδεδεμένων συστάδων για να αντικατοπτρίζει αυτή τη μάθηση, "και μετά την επηρεάζεις [με προσδοκία] και αυτό που γνωρίζει προκύπτει."
Ξαφνική πτώση
Το μοντέλο υπονοεί ότι η λήψη αποφάσεων δεν είναι μια σταδιακή διαδικασία που καθοδηγείται από τη συσσώρευση πληροφοριών, αλλά μάλλον ένα είδος «αχα» στιγμής, ένα άλμα στις νευρικές διακυμάνσεις. Στην πραγματικότητα, ο Katz έχει χρησιμοποιήσει το ίδιο είδος μόντελινγκ με τον Fontanini και τον La Camera για να υποστηρίξει την ιδέα ότι το να καταλήξουμε σε μια απόφαση (ας πούμε, να καταπιούμε ή να φτύσουμε ένα κομμάτι φαγητού) «συμβαίνει σε μια ξαφνική πτώση», είπε. /P>
Η σύνδεση μεταξύ αυτών των «πολύ διαφορετικών γωνιών του γευστικού πεδίου» - το έργο του Fontanini για την αισθητηριακή αντίληψη και τη δική του έρευνα για μεταγενέστερη επεξεργασία - αφήνει τον Katz να αισθάνεται «υπερ ενθουσιασμένος».
Υπογραμμίζει επίσης την ανάγκη να απομακρυνθούμε από την εστίαση σε μεμονωμένους νευρώνες που ανταποκρίνονται σε συγκεκριμένες ενδείξεις και να κάνουμε τις εσωτερικές καταστάσεις και τη δυναμική πιο σαφείς στην κατανόησή μας για τα αισθητήρια δίκτυα — ακόμη και για τα πιο βασικά αισθητηριακά ερεθίσματα. «Είναι πολύ πιο εύκολο να πούμε ότι ένας νευρώνας αυξάνει τον ρυθμό πυροδότησης του», δήλωσε ο Anan Moran, νευροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ στο Ισραήλ. Αλλά για να καταλάβετε πώς λειτουργούν οι οργανισμοί, «δεν μπορείτε να λάβετε υπόψη μόνο το ερέθισμα, αλλά και την εσωτερική κατάσταση», πρόσθεσε. "Και αυτό σημαίνει ότι η προηγούμενη [κατανόησή μας] του μηχανισμού που χρησιμοποιεί ο εγκέφαλος για την επίτευξη αντίληψης και δράσης και ούτω καθεξής πρέπει να επαναξιολογηθεί."
«Τα πράγματα που συμβαίνουν στον γευστικό φλοιό πριν φτάσει το ερέθισμα είναι ένα μεγάλο μέρος του τρόπου με τον οποίο αυτό το ερέθισμα επεξεργάζεται όταν φτάσει εκεί», είπε ο Katz. Και σε αυτήν την περίπτωση, η εξέταση του τρόπου με τον οποίο αυτές οι εσωτερικές καταστάσεις τροποποιούνται από μια εμπειρία ή υπόδειξη αποκάλυψε κάτι σχετικά με τη συνολική συνδεσιμότητα δικτύου.
Τώρα, είπε ο Moran, αυτού του είδους η εξάρτηση από το πλαίσιο πρέπει να βρει το δρόμο του σε άλλες μελέτες αντίληψης και γνώσης. "Το τελευταίο σύνορο είναι το οπτικό σύστημα... Αυτό το [είδος εργασίας] μπορεί να μας πει κάτι ενδιαφέρον για τον τρόπο επεξεργασίας των οπτικών πληροφοριών."
«Ακόμα δεν έχουμε κάποιο καλό, ενιαίο μοντέλο που να περικλείει πραγματικά όλη αυτή τη δραστηριότητα», πρόσθεσε. Αλλά αυτό είναι «ένα καλό σημείο εκκίνησης».
