Στόχοι και ανταμοιβές Σχεδιάστε ξανά τον χάρτη του εγκεφάλου του κόσμου

Η εμβληματική εικονογράφηση εξωφύλλου του The Νεοϋορκέζος Το τεύχος της 29ης Μαρτίου 1976 απεικόνιζε μια «θέα του κόσμου από την 9η Λεωφόρο», με πρωταγωνιστή ένα τεράστιο Μανχάταν που νανάνει όχι μόνο άλλες πόλεις των ΗΠΑ αλλά ολόκληρες χώρες, μειώνοντας τον Ειρηνικό Ωκεανό σε μια ζώνη νερού όχι πολύ ευρύτερη από την Ποταμός Hudson.

Αλλά οι Νεοϋορκέζοι δεν είναι οι μόνοι με μια λοξή αντίληψη της κλίμακας ή μια ιδιότυπη αίσθηση της γεωγραφίας και του τόπου. Οι άνθρωποι και άλλα ζώα συμπεριφέρονται με τρόπους που υποδηλώνουν ότι χαρτογραφούν την «άποψή τους για τον κόσμο» δίνοντας έμφαση στις πληροφορίες που θεωρούν πολύτιμες.

Δύο μελέτες που εμφανίζονται στο Science σήμερα δείχνουν πόσο βαθιά είναι αυτή η προκατάληψη. Και οι δύο ερευνητικές ομάδες παρατήρησαν πώς οι νευρώνες που συντάσσουν νοητικούς χάρτες του φυσικού χώρου επαναπρογραμματίζονται για να αντικατοπτρίζουν καλύτερα τις εμπειρίες, τις δραστηριότητες και τις προτεραιότητές μας. Τα ευρήματα προσφέρουν επίσης στοιχεία για έναν σύνδεσμο που άλλοι επιστήμονες άρχισαν να αποκαλύπτουν:Ο τρόπος του εγκεφάλου να κωδικοποιεί πληροφορίες θέσης μπορεί να επεκταθεί στον τρόπο με τον οποίο οργανώνει όγκους άλλων πληροφοριών προς πλοήγηση, συμπεριλαμβανομένων ποικιλιών ήχων και αφηρημένων εννοιών όπως οι κοινωνικές ιεραρχίες. /P>

Ένας πιο υποκειμενικός χάρτης

Για να βοηθήσουν τα θηλαστικά να παρακολουθούν πού βρίσκονται μέσα στο φυσικό τους περιβάλλον, ο εγκέφαλός τους έχει αναπτύξει δύο τύπους εξειδικευμένων κυττάρων. Τοποθετήστε κύτταρα στη φωτιά του ιππόκαμπου όταν ένα ζώο βρίσκεται σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία - για παράδειγμα, κοντά σε ένα αναγνωρίσιμο ορόσημο. Κύτταρα πλέγματος στον ενδορινικό φλοιό, μια περιοχή που εφάπτεται στον ιππόκαμπο, πυροδοτούνται όταν το ζώο διέρχεται από κάποιο σύνολο θέσεων που είναι διατεταγμένες όπως οι κορυφές ενός εξαγώνου. συλλογικά, αυτά τα εξάγωνα επικαλύπτονται και σχηματίζουν πλακάκια σε ένα έδαφος σαν πλέγμα (εξ ου και το όνομα των νευρώνων).

Και τα δύο είδη κυττάρων «ξαναχαρτογραφούνται» όταν ένα ζώο εισέρχεται σε ένα νέο περιβάλλον, και τα κύτταρα του τόπου ήταν γνωστό ότι επαναχαρτογραφούν όταν άλλαζαν βασικά χαρακτηριστικά σε ένα περιβάλλον. Αλλά τα κελιά πλέγματος υποτίθεται ότι ήταν πιο συνεπή:Η εντυπωσιακή μαθηματική τους οργάνωση πιστευόταν ευρέως ότι παράγει ένα ακριβές σύστημα συντεταγμένων που δεν διέφερε με την πάροδο του χρόνου ή με τις νέες συνθήκες. Φαινόταν να παρέχει μια στατική μέτρηση του Ευκλείδειου χώρου που θα μπορούσε να είναι χρήσιμη για πλοήγηση ακόμη και απουσία εξωτερικών ενδείξεων. Όταν οι επιστήμονες που ανακάλυψαν τους νευρώνες τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ το 2014, τα κύτταρα του πλέγματος χαρακτηρίστηκαν ευρέως ως «το εσωτερικό GPS του εγκεφάλου».

Συνήθως, τα πειράματα που έχουν σχεδιαστεί για τη μελέτη της δραστηριότητας των κυττάρων πλέγματος περιλαμβάνουν ένα ζώο που αναζητά τροφή τυχαία σε ένα κουτί ή παρόμοιο τεχνητό περιβάλλον. Αλλά η Lisa Giocomo, νευροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, ήταν περίεργη για το αν κάτι διαφορετικό θα μπορούσε να συμβεί στην άγρια ​​φύση, όπου τα ζώα αναζητούν τροφή πιο στρατηγικά, με συγκεκριμένους στόχους και κίνητρα στο μυαλό. Εκεί, για παράδειγμα, μπορεί να χρησιμοποιήσουν πληροφορίες από προηγούμενες εμπειρίες για να καθοδηγήσουν την αναζήτησή τους. Θα μπορούσαν αυτοί οι παράγοντες να επηρεάσουν αυτό το σήμα "GPS" στον ενδορινικό φλοιό και να το συνδέσουν με κάτι περισσότερο από μόνο τη θέση;

Τα ευρήματα που έχουν αναφέρει τώρα η Giocomo και οι συνεργάτες της στο Science παραπέμπουν σε αυτό ακριβώς το συμπέρασμα:Το να έχεις έναν στόχο φαίνεται να επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος κωδικοποιεί το χωρικό του περιβάλλον, και πιθανώς πολύ περισσότερο.

Η ομάδα του Giocomo κατέγραψε τη νευρωνική δραστηριότητα στον ενδορινικό φλοιό των αρουραίων καθώς έτρεχαν μέσα από ένα περιβάλλον δοκιμών, αναζητώντας τυχαία τοποθετημένη τροφή. Στη συνέχεια, η ομάδα διεξήγαγε το πείραμα ξανά — αλλά μόνο αφού εκπαίδευσε τους αρουραίους να συσχετίζουν μερικές φορές ένα συγκεκριμένο σημείο στο περιβάλλον με μια μεγάλη ανταμοιβή τροφής.

Αυτή η εκπαίδευση φαινομενικά άλλαξε το μοτίβο πυροδότησης των κυψελών πλέγματος των αρουραίων:Οι νευρώνες πυροβολούσαν πιο κοντά στη θέση ανταμοιβής, συρρικνώνοντας την απόσταση του πλέγματος πλοήγησης γύρω από αυτή τη θέση σαν το νερό που στροβιλίζεται σε μια αποχέτευση. Ο συνολικός προσανατολισμός ή η κλίση του πλέγματος περιστρέφεται επίσης, σαν να ανταποκρίνεται σε ένα εντελώς διαφορετικό χωρικό πλαίσιο. (Άλλοι τύποι κυττάρων στην ίδια περιοχή του εγκεφάλου, όπως κύτταρα «κατεύθυνσης κεφαλιού» που πυροδοτούνται ως απάντηση στο σημείο που βλέπει ο αρουραίος, περιστρέφονται επίσης.)

«Όλες αυτές οι αλλαγές μαζί δείχνουν πραγματικά ότι ο ενδορινικός φλοιός δημιουργεί έναν εντελώς διαφορετικό χάρτη αυτού του χώρου», είπε ο Τζόκομο. "Ο στόχος της εργασίας συμπεριφοράς, ή δυνητικά η κατάσταση συμπεριφοράς του ζώου, είναι πραγματικά αρκετός για να δημιουργήσει έναν εντελώς νέο χάρτη της ίδιας χωρικής τοποθεσίας."

Επιπλέον, η ομάδα διαπίστωσε ότι τα κελιά του πλέγματος πυροβολούσαν πιο συχνά όταν το ζώο ήταν κοντά στην τοποθεσία ανταμοιβής. Φαινόταν ότι ο ενδορινικός φλοιός αντιπροσώπευε αυτό το μικρό κομμάτι του χώρου πιο πιστά, με μεγαλύτερη ακρίβεια, από την υπόλοιπη περιοχή — προφανώς για να κάνει την εύρεση μελλοντικών ανταμοιβών πιο αποτελεσματική. «Ο αρουραίος θα μπορούσε τότε να πλοηγηθεί σε αυτήν την τοποθεσία λίγο πιο εύκολα αλλάζοντας την αναπαράστασή του», είπε ο Manu Madhav, μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins που δεν συμμετείχε στη μελέτη.

Εν τω μεταξύ, πέρα ​​από τον ωκεανό στο Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Αυστρίας, η εργαστηριακή ομάδα του νευροεπιστήμονα Jozsef Csicsvari έριξε μια πιο βαθιά ματιά σε αυτήν την αλλαγή στην αναπαράσταση όπως συνέβη. Οι επιστήμονες εκπαίδευσαν αρουραίους σε μια πλατφόρμα με τρύπες στις οποίες μπορούσαν να τοποθετηθούν ανταμοιβές. Πρώτα οι αρουραίοι αναζητούσαν τροφή σε μια σανίδα χωρίς καμία ανταμοιβή. Στη συνέχεια εκπαιδεύτηκαν να βρίσκουν τρεις ανταμοιβές σε συγκεκριμένες τοποθεσίες. Τελικά, αποβλήθηκαν ξανά σε ένα ταμπλό χωρίς ανταμοιβές.

Όπως και η ομάδα του Giocomo, έτσι και η Csicsvari διαπίστωσε ότι η εμπειρία εκπαίδευσης ανταμοιβής παραμόρφωσε τους χάρτες πλέγματος των αρουραίων. Οι κυψέλες πλέγματος τους είχαν μετατοπίσει τους στόχους βολής τους σε θέσεις πιο κοντά στο σημείο όπου βρίσκονταν οι ανταμοιβές - και όσο πιο κοντά ήταν αρχικά οι στόχοι τους στα σημεία που ανταμείφθηκαν, τόσο περισσότερο είχαν μετακινηθεί. Ο τέλειος εξαγωνικός πίνακας πλακιδίων που περιγράφεται από τους ανακαλύψεις κελιών πλέγματος δεν φαινόταν πλέον τόσο τέλειος.

Επιπλέον, όταν οι αρουραίοι μάθαιναν για πρώτη φορά για την παρουσία νέων ανταμοιβών στο περιβάλλον τους, η ομάδα του Csicsvari παρατήρησε μια «τρεμοπαίζοντας» μετάβαση μεταξύ των δύο αναπαραστάσεων χαρτών - σαν οι εγκέφαλοι των αρουραίων να αναπηδούσαν εμπρός και πίσω μεταξύ των χαρτών μέχρι να συνηθίσουν στην παρουσία των ανταμοιβών, αντί απλώς να μεταμορφώνεστε σταθερά από το ένα πλέγμα στο άλλο.

Όλα υποδηλώνουν «ότι οι πραγματικές κυψέλες πλέγματος υποστηρίζουν πολύ περισσότερα από τον Ευκλείδειο χώρο. Υποστηρίζουν πληροφορίες σχετικά με τους στόχους, για έναν», είπε η Charlotte Boccara του Πανεπιστημίου του Όσλο, η οποία ήταν μεταδιδακτορική υπότροφος στο εργαστήριο του Csicsvari κατά τη διάρκεια της μελέτης. "Και αυτό μας φέρνει στο:Τι είναι τα κελιά πλέγματος;"

Αντί να οργανώνουν το χώρο, «φαίνεται ότι έχουν να κάνουν με την οργάνωση της μνήμης».

Νέοι ορισμοί και καλύτερες μεταφορές

Φανταστείτε, είπε ο Giocomo, ότι κατά τη διάρκεια του χειμώνα, ένα ποντίκι πρέπει να ψάξει για ό,τι καρύδια και μούρα βρει. Έχει έναν γνωστικό χάρτη των τμημάτων του δάσους όπου μπορεί να βρει μερικά. Τότε, ένα καλοκαίρι, το ποντίκι πέφτει πάνω σε ένα τεράστιο κομμάτι φράουλες. "Θα μπορούσε να είναι επωφελές για αυτό να έχει έναν εντελώς διαφορετικό χάρτη ... που τονίζει ή υπεραναπαριστά αυτό το κομμάτι φράουλας", είπε ο Giocomo.

Ή απλώς σκεφτείτε πώς θυμόμαστε μέρη στη ζωή μας:Γνωρίζουμε, για παράδειγμα, πού ακριβώς να βρούμε το σπίτι και τον χώρο εργασίας μας, αλλά όχι τις ακριβείς τοποθεσίες κάθε καταστήματος, πάρκου και δρόμου που περνάμε καθημερινά μεταξύ των δύο. «Ένας οργανισμός έχει μια αίσθηση του τι έχουν σημασία ή τι δεν έχουν, και αυτό υπερκαλύπτει την αίσθηση του για το πού βρίσκονται τα πράγματα στον κόσμο», είπε η Λόρεν Φρανκ, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Φρανσίσκο, η οποία δεν συμμετείχε σε κανένα από τα δύο. μελέτη. Ήταν παρεξήγηση να πιστεύουμε ότι ο εγκέφαλος έχει μια αναπαράσταση του χώρου που είναι «καθαρή» και αμόλυντη από εκτιμήσεις σχετικότητας ή ανταμοιβής, πρόσθεσε. "Αυτά τα πράγματα είναι πραγματικά στενά δεμένα" και δεν μπορούν να χωριστούν τόσο τακτοποιημένα.

Αυτό σημαίνει επίσης ότι το πώς σχηματίζουμε αναμνήσεις - και ποιες αναμνήσεις σχηματίζουμε - εξαρτάται από το τι προσπαθούμε να κάνουμε. Δεν δημιουργούνται όλες οι μνήμες, οι τοποθεσίες και οι εμπειρίες ίσες (ή τουλάχιστον δεν κωδικοποιούνται με αυτόν τον τρόπο).

Εκεί έγκειται το ελάττωμα στη σύγκριση του ενδορινικού χάρτη με ένα GPS ή άλλο εργαλείο πλοήγησης. "Η Google δεν μου δημιουργεί διαφορετικό χάρτη αν κατευθύνομαι στα Starbucks, σε αντίθεση με αν βγαίνω έξω για μια βόλτα", είπε ο Giocomo.

Θέλει να διερευνήσει τι συμβαίνει με την παρουσία τιμωριών αντί για ανταμοιβές και τι συμβαίνει όταν αλλάζουν τα κίνητρα του αρουραίου - για παράδειγμα, αν δεν πεινάει κατά τη διάρκεια της εργασίας. "Αυτή η εργασία ανοίγει μια εντελώς νέα περιοχή, όσον αφορά την εξέταση των συνθηκών που μπορούν να οδηγήσουν νέους χάρτες ενός χώρου", είπε.

Μια μεγαλύτερη εκτίμηση της πλαστικότητας του ενδορινικού φλοιού θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να κατανοήσουν την επαναχάρτιση που συμβαίνει (ή αποτυγχάνει να συμβεί) ως αποτέλεσμα της γήρανσης, της νευρολογικής νόσου και του εθισμού στα ναρκωτικά. Θα μπορούσε επίσης να αποκαλύψει ένα πολύ μεγαλύτερο ρεπερτόριο συμπεριφορών, πέρα ​​από την απλή πλοήγηση, που μπορεί να κωδικοποιεί αυτό το εγκεφαλικό σύστημα. "Ο ενδορινικός φλοιός παίζει πολύ μεγαλύτερο ρόλο στη διασταύρωση του χώρου και της μνήμης από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως", είπε ο Giocomo.

Επειδή οι χώροι είναι εύκολο να μετρηθούν, προτείνει ο Boccara, ο προσδιορισμός της λειτουργίας της δραστηριότητας των κυψελών πλέγματος στην κωδικοποίηση των χωρικών σχέσεων ήταν πιο απλός. «Αλλά στην πραγματικότητα, θα μπορούσε να κάνει πολλά, πολύ περισσότερα», είπε. Οι ιδιότητες κωδικοποίησης στον ενδορινικό φλοιό αλλάζουν με βάση το τι κάνει το ζώο και όχι μόνο με το πού βρίσκεται. Ανεξάρτητα από το αν η πρόκληση είναι η πλοήγηση σε έναν φυσικό χώρο ή σε ένα νοητικό «τοπίο» αφηρημένων σκέψεων ή αισθητηριακών εμπειριών, «ο κώδικας φαίνεται να αλλάζει για να ταιριάζει σε αυτόν τον χώρο, για να διευκολύνει την εργασία σε αυτόν τον χώρο», είπε ο Madhav.

Όταν πρόκειται για κελιά πλέγματος, τότε, «ο πρώτος μας ορισμός ήταν αρκετά άκαμπτος, όπως τείνουν να είναι οι πρώτοι ορισμοί», είπε ο Boccara. Αλλά αυτή η άποψη μπορεί να έχει ξεπεράσει τη χρησιμότητά της. Ίσως ήρθε επιτέλους η ώρα να προχωρήσουμε.

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

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις  TheAtlantic.com .