Ο «θόρυβος» στον εγκέφαλο κωδικοποιεί εκπληκτικά σημαντικά σήματα

Κάθε στιγμή, οι νευρώνες ψιθυρίζουν, φωνάζουν, ψεκάζουν και τραγουδούν, γεμίζοντας τον εγκέφαλο με μια ιλιγγιώδη κακοφωνία φωνών. Ωστόσο, πολλές από αυτές τις φωνές δεν φαίνεται να λένε τίποτα απολύτως ουσιαστικό. Καταγράφονται ως συνήθεις ηχώ θορύβου, όχι σήματος. ως στατικό, όχι ως λόγος.

Από τότε που οι επιστήμονες κατέστησαν για πρώτη φορά ικανοί να καταγράφουν από μεμονωμένους νευρώνες πριν από 60 χρόνια, γνώριζαν ότι η εγκεφαλική δραστηριότητα είναι εξαιρετικά μεταβλητή, ακόμη και όταν δεν υπάρχει προφανής λόγος. Η νευρική απόκριση ενός ζώου σε ένα επαναλαμβανόμενο ερέθισμα αλλάζει σημαντικά από δοκιμή σε δοκιμή, κυμαινόμενη με τρόπο που φαίνεται σχεδόν τυχαίος. Ακόμη και στην πλήρη απουσία ενός ερεθίσματος, «θα καταγράψατε απλώς μια αυθόρμητη δραστηριότητα και θα βλέπατε ότι φαινόταν να έχει το δικό του μυαλό», σύμφωνα με τον David McCormick, νευροεπιστήμονα στο Πανεπιστήμιο του Όρεγκον.

"Αυτό δημιούργησε μια άποψη ότι ο εγκέφαλος είναι κατά κάποιο τρόπο είτε πολύ [θορυβώδης] ή ότι χρησιμοποιεί κάποιο είδος στατιστικών υψηλού επιπέδου για να ξεπεράσει αυτόν τον θόρυβο", είπε.

Αλλά την τελευταία δεκαετία, αυτή η άποψη έχει αλλάξει. Έχει γίνει προφανές ότι αυτή η υποτιθέμενη τυχαιότητα και μεταβλητότητα δεν σχετίζεται μόνο με την ακαταστασία στη νευρωνική μηχανική του εγκεφάλου, αλλά και με καταστάσεις συμπεριφοράς όπως η διέγερση και το άγχος - καταστάσεις που φαίνεται να επηρεάζουν επίσης την αντίληψη και τη λήψη αποφάσεων. Οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι ο θόρυβος έχει περισσότερα από όσα είχαν υποθέσει.

Τώρα, αναλύοντας τόσο τη νευρική δραστηριότητα όσο και τη συμπεριφορά των ποντικών με άνευ προηγουμένου λεπτομέρεια, οι ερευνητές αποκάλυψαν μια εκπληκτική εξήγηση για μεγάλο μέρος αυτής της μεταβλητότητας:Σε όλο τον εγκέφαλο, ακόμη και σε χαμηλού επιπέδου αισθητήριες περιοχές όπως ο οπτικός φλοιός, οι νευρώνες κωδικοποιούν πληροφορίες για μακριά περισσότερο από το άμεσα σχετικό καθήκον τους. Μαρτυρούν επίσης για όποιες άλλες συμπεριφορές τυχαίνει να έχει το ζώο, ακόμη και ασήμαντες - το τίναγμα ενός μουστάκι, το τίναγμα ενός πίσω ποδιού.

Αυτές οι απλές χειρονομίες δεν υπάρχουν μόνο στη νευρική δραστηριότητα. Το κυριαρχούν.

Τα ευρήματα αλλάζουν τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες ερμηνεύουν την εγκεφαλική δραστηριότητα και πώς σχεδιάζουν πειράματα για να τη μελετήσουν.

Μια κομψή αλλά ξεπερασμένη ιστορία

Μέχρι πριν από περίπου μια δεκαετία, οι περισσότεροι νευροεπιστήμονες χρησιμοποιούσαν αναισθητοποιημένα ζώα στα πειράματά τους. Αυτή η πρακτική τους επέτρεψε να κάνουν απίστευτα βήματα προς την καλύτερη κατανόηση του εγκεφάλου, αλλά "οδήγησε επίσης σε μια εξαιρετικά διαστρεβλωμένη άποψη της νευρωνικής επεξεργασίας", δήλωσε ο David Kleinfeld, νευροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο. Ήταν ένα ιδιαίτερο μειονέκτημα στην έρευνα της όρασης, επειδή τα επίπεδα αναισθησίας που εμπλέκονταν ήταν συχνά αρκετά υψηλά ώστε να υπονομεύσουν την εμπιστοσύνη ότι τα βρώμικα (ή αναίσθητα) ζώα έβλεπαν υποκειμενικά οτιδήποτε. Τουλάχιστον, η αναισθησία αφαίρεσε οποιοδήποτε πραγματικό πλαίσιο ή πλαίσιο που θα μπορούσε να επηρεάσει την οπτική διαδικασία.

Ως αποτέλεσμα, προέκυψε μια συγκεκριμένη εικόνα του πώς λειτουργεί η όραση, μια εικόνα στην οποία τα σήματα από τα μάτια κινούνταν μέσα από παθητικά σύνολα νευρολογικών φίλτρων που δημιουργούσαν όλο και πιο εξειδικευμένες και περίπλοκες αναπαραστάσεις του περιβάλλοντος. Μόνο αργότερα στη διαδικασία αυτή η οπτική αναπαράσταση ενσωματώθηκε με πληροφορίες από άλλες αισθήσεις και άλλες περιοχές του εγκεφάλου. «Είναι δελεαστικό να βλέπεις τις κύριες αισθητήριες περιοχές ως κάμερες που δίνουν μια ανόθευτη άποψη του τι συμβαίνει στον κόσμο», είπε η Anne Churchland, νευροεπιστήμονας στο Cold Spring Harbor Laboratory στη Νέα Υόρκη — αλλά όσο κομψό κι αν είναι αυτό το μοντέλο όρασης, ένα βουνό. Τα στοιχεία έχουν αποδείξει ότι είναι πολύ απλοϊκό.

Η τεράστια διασυνδεσιμότητα του εγκεφάλου τον γεμίζει με βρόχους ανάδρασης που αφήνουν τις υψηλότερες περιοχές του φλοιού να συνομιλούν με τις χαμηλότερες. Για δεκαετίες μελέτης, οι ερευνητές βρήκαν σταδιακά κάθε περιοχή του εγκεφάλου λιγότερο εξειδικευμένη από ό,τι υποδηλώνουν οι ετικέτες:Ο οπτικός φλοιός των ατόμων που είναι τυφλοί ή με προβλήματα όρασης, για παράδειγμα, μπορεί να επεξεργαστεί ακουστικές και απτικές πληροφορίες. Ο σωματοαισθητικός φλοιός, και όχι ο κινητικός φλοιός, βρέθηκε πρόσφατα ότι παίζει σημαντικό ρόλο στην εκμάθηση των κινητικών δεξιοτήτων. Και ευρύτερες δυνάμεις όπως η προσοχή, η προσδοκία ή το κίνητρο μπορούν να επηρεάσουν τον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβάνονται οι άνθρωποι.

Ακόμη και στο σκοτάδι, οι νευρώνες του οπτικού φλοιού συνεχίζουν να φλυαρούν.

Όμως τα πράγματα έγιναν ακόμη πιο περίεργα το 2010. Νέες πειραματικές μέθοδοι, που αναπτύχθηκαν μόλις λίγα χρόνια νωρίτερα, κατέστησαν δυνατή την καταγραφή από τους νευρώνες ποντικών που τρέχουν σε διάδρομο ή μπάλα. Οι νευροεπιστήμονες Michael Stryker και Cris Niell, τότε και οι δύο στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Σαν Φρανσίσκο, αποφάσισαν αρχικά να χρησιμοποιήσουν αυτές τις τεχνικές για να συγκρίνουν την οπτική δραστηριότητα σε ποντίκια που κοιμούνται, αναισθητοποιημένα με εκείνη των ποντικών που είτε έτρεχαν είτε ήταν ακίνητα. (Ο Niell μετακόμισε από τότε στο Πανεπιστήμιο του Όρεγκον.)

Γρήγορα συνειδητοποίησαν, ωστόσο, ότι υπήρχε μια πιο ενδιαφέρουσα σύγκριση. «Προχωρήσαμε σε αυτό θέλοντας να μελετήσουμε τι είναι διαφορετικό στο ξύπνιο από το αναισθητοποιημένο», είπε ο Niell, «αλλά αυτό που μας έκανε έκπληξη ήταν πόσο διαφορετικές ήταν οι διάφορες πτυχές της κατάστασης εγρήγορσης όταν το ζώο κινούνταν έναντι του μη». Διαπίστωσαν ότι όταν ένα ποντίκι έτρεχε, οι αποκρίσεις του στα οπτικά ερεθίσματα αυξάνονταν:Οι ρυθμοί πυροδότησης των νευρώνων διπλασιάστηκαν - κάτι που ήταν εκπληκτικό επειδή σε προηγούμενη έρευνα, οι ρυθμοί πυροδότησης δεν είχαν αυξηθεί τόσο πολύ ακόμη και σε ανθρώπους και πιθήκους που απαιτούνταν για την ολοκλήρωση των εργασιών που απαιτούσε έντονη οπτική προσοχή. Αυτά τα εφέ μειώθηκαν μόλις το ποντίκι σταμάτησε να λειτουργεί.

"Αυτό ήταν αρκετά εκπληκτικό, επειδή οι άνθρωποι είχαν σκεφτεί τον πρωτογενή οπτικό φλοιό ως μια καθαρά αισθητική περιοχή", είπε ο Churchland.

Εκείνη την εποχή, σύμφωνα με τα συμπεράσματα που προέκυψαν από προηγούμενες εργασίες σχετικά με την προσοχή και το κίνητρο, οι Stryker και Niell θεώρησαν ότι το αποτέλεσμα μπορεί να αντικατοπτρίζει κάποια γενική αλλαγή συμπεριφοράς στα ποντίκια, μια μετάβαση από μια ανενεργή λειτουργία σε μια ενεργητική καθώς τα ζώα άρχισαν να κινούνται . Μελέτες σε άλλα εργαστήρια τα επόμενα χρόνια επιβεβαίωσαν ότι η γενική διέγερση μεταβάλλει σημαντικά τις νευρικές αποκρίσεις. Το 2015, για παράδειγμα, ο McCormick και οι συνάδελφοί του ανέφεραν ότι η εμπλοκή ενός ποντικιού με μια εργασία προέβλεπε πόσο καλά θα είχε απόδοση. Την ίδια χρονιά, η νευροεπιστήμονας Jessica Cardin και η ομάδα της στο Πανεπιστήμιο Yale άρχισαν να ξεμπερδεύουν με τις επιπτώσεις τόσο του τρεξίματος όσο και της διέγερσης στη δραστηριότητα στον οπτικό φλοιό.

Αλλά όλα αυτά τα πειράματα ήταν περιορισμένα τόσο στο πόσους νευρώνες μπορούσαν να καταγράψουν ταυτόχρονα όσο και στο πόσες μεταβλητές συμπεριφοράς μπορούσαν να λάβουν υπόψη. Πειράματα που διερεύνησαν αλλαγές στην εγκεφαλική δραστηριότητα με βάση αποκλειστικά το αν το ποντίκι έτρεχε ή ακίνητο, ή εάν οι κόρες του ματιού του είχαν διευρυνθεί ως αντιπρόσωπος της διέγερσης, θα μπορούσαν να εξηγήσουν μόνο κομμάτια της νευρικής μεταβλητότητας. Εξακολουθούσε να ζητείται μια πιο ολοκληρωμένη εξήγηση.

Τώρα, ακολουθώντας μια πιο σφαιρική προσέγγιση τόσο στη συμπεριφορά των ζώων όσο και στη δραστηριότητα του εγκεφάλου, μια χούφτα ερευνητικές ομάδες έχουν προσφέρει ακριβώς αυτό.

Εύρεση νόησης στο στροβιλιζόμενο καλειδοσκόπιο

Ο Kenneth Harris και ο Matteo Carandini, νευροεπιστήμονες στο University College του Λονδίνου, ξεκίνησαν με έναν διαφορετικό στόχο:να χαρακτηρίσουν τη δομή της αυθόρμητης δραστηριότητας στον οπτικό φλοιό που συμβαίνει ακόμη και όταν το τρωκτικό δεν λαμβάνει οπτική διέγερση. Αυτοί και άλλα μέλη της κοινής τους ομάδας στο Cortexlab του πανεπιστημίου κατέγραψαν από 10.000 νευρώνες ταυτόχρονα σε ποντίκια που ήταν ελεύθερα να ενεργούν όπως ήθελαν - να τρέχουν, να μυρίζουν, να περιποιούνται τον εαυτό τους, να κοιτάζουν τριγύρω, να κινούν τα μουστάκια τους, να ισοπεδώνουν τα αυτιά τους κ.λπ. — στο σκοτάδι.

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι παρόλο που τα ζώα δεν μπορούσαν να δουν τίποτα, η δραστηριότητα στον οπτικό φλοιό τους ήταν εκτεταμένη και συγκλονιστικά πολυδιάστατη, πράγμα που σημαίνει ότι κωδικοποιούσε πολλές πληροφορίες. Όχι μόνο συνομιλούσαν οι νευρώνες, αλλά «γίνονταν πολλές συζητήσεις ταυτόχρονα», έγραψε ο Marius Pachitariu, νευροεπιστήμονας στην ερευνητική πανεπιστημιούπολη Janelia του Ιατρικού Ινστιτούτου Howard Hughes στη Βιρτζίνια και πρώην μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Cortexlab. P>

Στην αρχή, οι επιστήμονες δεν ήταν σίγουροι τι να κάνουν με αυτό. Έτσι προσπάθησαν να εξηγήσουν τις «συνομιλίες» συνδέοντας την εγκεφαλική δραστηριότητα με το τι ακριβώς έκαναν τα ποντίκια κάθε στιγμή. Τράβηξαν βίντεο από το πρόσωπο κάθε ποντικιού, αναλύοντας την κίνησή του καρέ προς καρέ, όχι μόνο για μεμονωμένες πτυχές συμπεριφοράς όπως η ταχύτητα τρεξίματος ή η διάμετρος της κόρης, αλλά για οτιδήποτε μπορεί να εξηγήσει τη νευρική μεταβλητότητα, μέχρι τα πιο μικροσκοπικά τικ και συσπάσεις.

Αυτές οι ήσσονος σημασίας συμπεριφορές αποδείχτηκε ότι ευθύνονται για τουλάχιστον το ένα τρίτο της συνεχιζόμενης δραστηριότητας στον οπτικό φλοιό των ποντικών - δραστηριότητα που προηγουμένως είχε παρομοιαστεί με απλό θόρυβο. Ήταν περίπου συγκρίσιμο με τη δραστηριότητα που θα προκαλούσε συνήθως μια πραγματική οπτική είσοδος. «Έχουμε αυτό το τμήμα του εγκεφάλου που ονομάζεται οπτικός φλοιός και θα νομίζατε ότι αυτό που κάνει είναι η όραση», είπε ο Χάρις. «Και το κάνει αυτό. Αλλά τουλάχιστον όσο μεγάλο μέρος της δραστηριότητάς του δεν έχει καμία σχέση με το όραμα.»

«Αν κοιτάξουμε το ποντίκι στο σύνολό του», είπε ο ΜακΚόρμικ, «ξαφνικά, αυτή η γενική δραστηριότητα, αυτό το στροβιλιζόμενο καλειδοσκόπιο δραστηριότητας στον εγκέφαλο, αρχίζει να έχει νόημα». (Ο ίδιος και το εργαστήριό του ανέφεραν παρόμοια ευρήματα σε μια πρόσφατη προεκτύπωση.) Η δραστηριότητα δεν αντικατόπτριζε μόνο τη γενική κατάσταση της εγρήγορσης ή της διέγερσης του ποντικιού ή το γεγονός ότι το ζώο κινούνταν. Ο οπτικός φλοιός γνώριζε ακριβώς τι έκανε το ζώο, μέχρι τις λεπτομέρειες των μεμονωμένων κινήσεών του.

Στην πραγματικότητα, αυτό δεν ήταν μοναδικό στον οπτικό φλοιό. «Παντού στον εγκέφαλο, είναι η ίδια ιστορία. Τα σήματα κίνησης είναι πραγματικά αλάνθαστα», δήλωσε ο Matt Smear, νευροεπιστήμονας συστημάτων στο Πανεπιστήμιο του Όρεγκον που δεν συμμετείχε στη μελέτη. Ενισχύει την ιδέα ότι «ορισμένες διαισθητικές αντιλήψεις για τον εγκέφαλο είναι πιθανώς λανθασμένες».

Ακόμη πιο εντυπωσιακό, οι ίδιοι νευρώνες που κωδικοποιούσαν αισθητηριακές ή άλλες λειτουργικές πληροφορίες ήταν αυτοί που κωδικοποιούσαν ρητά αυτά τα κινητικά σήματα. «Ξαφνικά λέμε, «Περίμενε — ίσως ο εγκέφαλος να μην είναι θορυβώδης. Ίσως είναι στην πραγματικότητα πολύ πιο ακριβές από ό,τι πιστεύαμε», είπε ο McCormick.

Τα ευρήματα του Cortexlab, τα οποία δημοσιεύτηκαν στο Science τον Απρίλιο, απέδειξε ότι οι νευροεπιστήμονες πρέπει να επανεξετάσουν τον τρόπο με τον οποίο ερμηνεύουν τις νευρικές αποκρίσεις των ζώων. (Ο Niell επεσήμανε ότι μια σημαντική παραλλαγή που παρατηρείται σε ανθρώπινες λειτουργικές μελέτες μαγνητικής τομογραφίας μπορεί επίσης να εξηγηθεί από τυχαίες ανατροπές, αντί για θόρυβο ή οτιδήποτε σχετίζεται με την εργασία που εξετάζεται.) «Για παράδειγμα, κάθε φορά που το ποντίκι έτρεχε, βλέπαμε αυτό το σήμα στους νευρώνες ακριβώς πριν ξεκινήσει το ποντίκι», είπε η Carsen Stringer, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Janelia που έκανε τη διδακτορική της εργασία στο Cortexlab. "Και σκεφτήκαμε, "Ίσως αυτό είναι μόνο το ποντίκι που σκέφτεται να τρέξει." Αλλά στην πραγματικότητα, είναι το ποντίκι που χτυπά [κινώντας ρυθμικά τα μουστάκια του μπρος-πίσω] ακριβώς πριν τρέξει."

Αλλά τότε τι κάνουν αυτά τα σήματα και γιατί έχουν σημασία;

Αντίληψη ως δράση

Ένα σύστημα στο οποίο κάθε νευρώνας διοχετεύει πληροφορίες σχετικά με πολλαπλές δραστηριότητες ταυτόχρονα μπορεί να φαίνεται ακατάλληλα περίπλοκο, αλλά η ομάδα του Cortexlab διαπίστωσε ότι ο εγκέφαλος μπορεί να αντιμετωπίσει όλα αυτά τα δεδομένα πιο εύκολα από ό,τι νομίζουμε. Η ανάλυσή τους αποκάλυψε ότι όταν εμφανίζεται ένα ερέθισμα, οι εισερχόμενες πληροφορίες απλώς προστίθενται πάνω από τα σήματα που σχετίζονται με την κίνηση που ήταν ήδη παρόντα. Σε έναν μόνο νευρώνα, αυτά τα σήματα φαίνονται μπερδεμένα μεταξύ τους, αδύνατο να διακριθούν. Ωστόσο, διαφορετικοί νευρώνες μπορεί να μεταφέρουν το ίδιο ερέθισμα, αλλά διαφορετικές συμπεριφορές στο υπόβαθρο, έτσι ώστε αν καταγραφούν αρκετοί νευρώνες μαζί, να είναι δυνατός ο διαχωρισμός της όρασης και της κίνησης.

Τα σήματα κίνησης επομένως δεν βλάπτουν την ικανότητα του ζώου να επεξεργάζεται αισθητηριακές πληροφορίες για τον έξω κόσμο. Αλλά οι επιστήμονες πρέπει ακόμα να διερευνήσουν πώς ακριβώς αυτά τα σήματα θα μπορούσαν να βοηθήσουν τον εγκέφαλο να λειτουργεί καλύτερα. Στον πυρήνα της, αυτή η ανακάλυψη αντανακλά το γεγονός ότι ουσιαστικά ο εγκέφαλος εξελίχθηκε για δράση - ότι τα ζώα έχουν εγκέφαλο για να τα αφήνουν να κινούνται και ότι «η αντίληψη δεν είναι μόνο η εξωτερική είσοδος», είπε ο Stringer. "Διαμορφώνεται τουλάχιστον σε κάποιο βαθμό από αυτό που κάνετε ανά πάσα στιγμή."

Οι αισθητηριακές πληροφορίες αντιπροσωπεύουν μόνο ένα μικρό μέρος αυτού που χρειάζεται για την αληθινή αντίληψη του περιβάλλοντος. "Πρέπει να λάβετε υπόψη την κίνηση, το σώμα σας σε σχέση με τον κόσμο, προκειμένου να καταλάβετε τι πραγματικά υπάρχει εκεί έξω", είπε ο Niell.

«Συνήθιζα να πιστεύαμε ότι ο εγκέφαλος ανέλυε όλα αυτά τα πράγματα ξεχωριστά και μετά τα συνέδεε με κάποιο τρόπο μεταξύ τους», είπε ο ΜακΚόρμικ. "Λοιπόν, αρχίζουμε να μαθαίνουμε ότι ο εγκέφαλος κάνει αυτή την ανάμειξη πολυαισθητηριακών και κινητικών συνδέσεων [νωρίτερα] από ό,τι φανταζόμασταν προηγουμένως."

Είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε πώς το σώμα κινείται για να διαμορφώσει και να ερμηνεύσει τις εισερχόμενες αισθητηριακές πληροφορίες. Εάν τρέχετε, ο οπτικός κόσμος περνάει και ο οπτικός φλοιός πρέπει να γνωρίζει ότι αυτό καθοδηγείται από την κίνησή σας. Εάν κάνετε κύκλους γύρω από ένα μνημείο, ο οπτικός φλοιός πρέπει να γνωρίζει ότι δεν είδατε 20 διαφορετικά αγάλματα, αλλά το ίδιο άγαλμα από 20 διαφορετικές γωνίες. «Πού είναι η σταθερότητα ανάμεσα σε αυτή τη θύελλα διακύμανσης;» είπε ο ΜακΚόρμικ. «Γι' αυτό πιστεύω ότι αυτή η πρόσφατη δουλειά είναι πολύ ενδιαφέρουσα και πολύ σημαντική, γιατί αρχίζουμε να βλέπουμε πού βρίσκεται η σταθερότητα.»

«Ο εγκέφαλός μας δεν σκέφτεται μόνο στο κεφάλι μας. Ο εγκέφαλός μας αλληλεπιδρά με το σώμα μας και τον τρόπο που κινούμαστε στον κόσμο», είπε ο Niell. «Σκέφτεσαι, «Α, απλώς σκέφτομαι» ή «Απλώς βλέπω». Δεν σκέφτεσαι το γεγονός ότι το σώμα σου παίζει ρόλο σε αυτό». Επομένως, είναι λογικό ότι ένα ποντίκι μπορεί να χρειαστεί να ενσωματώσει σήματα κίνησης από νωρίς (αν και το πώς ακριβώς, ας πούμε, η κίνηση ενός μουστάκι βοηθά στην όραση παραμένει ασαφές).

Στην πραγματικότητα, μπορεί να πάει πέρα ​​από αυτό. Η ενσωμάτωση θα μπορούσε να βοηθήσει στη διευκόλυνση αυτού που είναι γνωστό ως ενεργητική αίσθηση - όπου ένα ζώο συντονίζει ενεργά την κίνησή του με τις πληροφορίες που θέλει να αισθανθεί και να βρει. Ο Smear το μελετά επί του παρόντος στην όσφρηση:Αυτός και οι συνάδελφοί του ανακάλυψαν ότι τα ποντίκια συγχρονίζουν πολλές από τις κινήσεις τους με τον ρυθμό μυρίσματος (το κύριο μέσο λήψης πληροφοριών για τις οσμές) με εκπληκτική ακρίβεια.

Ακόμη πιο ενδιαφέρον, ένας τέτοιος συντονισμός μπορεί να βοηθήσει στη μάθηση.

Ένας μεγαλύτερος σκοπός

Οι Harris, Stringer και οι συνάδελφοί τους υποστηρίζουν ότι αυτή η ενοποίηση των αισθητηριακών και κινητικών πληροφοριών δημιουργεί ένα νοητικό ικρίωμα εντός του οποίου μπορεί να συμβεί ενισχυτική μάθηση:Εάν μια συγκεκριμένη δράση και ερέθισμα σε συνδυασμό συσχετίζονται με ένα αξιοσημείωτο αποτέλεσμα - ας πούμε, λήψη ανταμοιβής ή εύρεση κίνδυνος — αυτού του είδους η διπλή νευρωνική κωδικοποίηση θα μπορούσε να βοηθήσει το ζώο να προβλέψει αυτό το αποτέλεσμα την επόμενη φορά και να ενεργήσει ανάλογα.

Ο Churchland προτείνει ότι τα σήματα κίνησης μπορεί να βοηθήσουν το ζώο να μάθει με ακόμη πιο συγκεκριμένους τρόπους. Τον Σεπτέμβριο, η Churchland, η Simon Musall, μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο εργαστήριό της, και οι συνάδελφοί τους δημοσίευσαν τα αποτελέσματα ενός πειράματος στο οποίο παρακολούθησαν την εγκεφαλική δραστηριότητα σε ποντίκια που εκτελούσαν μια εργασία:Τα ζώα έπρεπε να πιάσουν μια λαβή για να ξεκινήσουν μια δοκιμή. και γλείφετε με τον ένα ή τον άλλο τρόπο για να αναφέρετε μια απόφαση. Παρόλο που ήταν επικεντρωμένοι στον στόχο τους, η νευρική τους δραστηριότητα συνέχισε να εκρήγνυται σε μια χορωδία φωνών αφιερωμένων σε ασήμαντες κινήσεις που φαινομενικά άσχετες με το συγκεκριμένο έργο. «Το μεγαλύτερο μέρος της δραστηριότητας που βρήκαμε στον εγκέφαλο δεν είχε καμία σχέση με την απόφαση», είπε ο Churchland. "Αντανακλά τις κινήσεις που έκανε το ζώο."

Σύμφωνα με τον Niell, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη, «αυτό που ήταν πραγματικά εντυπωσιακό ήταν ότι ακόμη και όταν ένα ζώο έκανε αυτό το είδος μιας εργασίας, την οποία θεωρούμε καθαρά όραμα, όλες αυτές οι [άσχετες] κινήσεις… κυριαρχούν στο σήμα."

Η Churchland και η ομάδα της διαπίστωσαν επίσης ότι καθώς κάθε ποντίκι εκπαιδευόταν, οι κινήσεις του κλειδώνονταν περισσότερο στην εργασία. Στην αρχή, για παράδειγμα, το ποντίκι κινούσε τα μουστάκια του τυχαία, αλλά όπως έμαθε, χτυπούσε σε συγκεκριμένες ώρες - όταν παρουσιαζόταν το ερέθισμα και όταν παραδόθηκε η ανταμοιβή - παρόλο που η ίδια η πράξη του χτυπήματος δεν είχε καμία σχέση με την ανταμοιβή ή την εκπαίδευση που εμπλέκεται στην εργασία.

Η Churchland εικάζει ότι τα ζώα μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτού του είδους τα σήματα για να τα βοηθήσουν να λάβουν αποφάσεις - ότι «ίσως για αυτά, αυτό είναι μέρος της διαδικασίας λήψης αποφάσεων», είπε. «Ίσως για τα ζώα, όπως και για τους ανθρώπους, μέρος αυτού που σημαίνει να σκέφτεσαι και να παίρνεις αποφάσεις είναι να κινείσαι». Το παρομοίασε με το τελετουργικό που μπορεί να πραγματοποιήσει ένας παίκτης του μπέιζμπολ πριν ανέβει στο ρόπαλο. "Με κάνει να αναρωτιέμαι αν αυτές οι ταραχές… εξυπηρετούν έναν μεγαλύτερο σκοπό."

«Οι άνθρωποι τείνουν να θεωρούν ότι οι κινήσεις είναι ξεχωριστές από τη γνώση - ακόμη και ως παρεμβολές στη γνώση», είπε ο Churchland. "Πιστεύουμε ότι, δεδομένης αυτής της εργασίας, ίσως είναι καιρός να εξετάσουμε μια εναλλακτική άποψη, ότι τουλάχιστον για ορισμένα θέματα, η κίνηση είναι πραγματικά μέρος της γνώσης."

Ομολογουμένως, σε αυτό το σημείο, «μερικά θέματα» σημαίνει κυρίως τρωκτικά. Οι επιστήμονες διεξάγουν τώρα άλλα πειράματα για να ελέγξουν εάν αυτό το είδος ολοκλήρωσης συμβαίνει τόσο διάχυτα στα πρωτεύοντα (συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων) και με παρόμοιο τρόπο.

Ωστόσο, οι ερευνητές συμφωνούν ότι η εργασία προαναγγέλλει μια αλλαγή στον τρόπο με τον οποίο διεξάγουν τα πειράματά τους σχετικά με την αντίληψη — δηλαδή, δείχνει ότι πρέπει να αρχίσουν να δίνουν μεγαλύτερη προσοχή και στη συμπεριφορά.

Παράδοση του ελέγχου

Μέχρι τώρα, οι νευροεπιστήμονες ακολουθούσαν μια πιο αναγωγική οδό. Πολλά από αυτά που γνωρίζουμε για τη νευρική δραστηριότητα προήλθαν πρώτα από καταγραφές αναισθητοποιημένων ζώων και αργότερα από ζώα που κινούνται με περιορισμένο τρόπο. Τα ίδια τα πειράματα ήταν επίσης περιορισμένα. Ο Niell το περιγράφει ως το μοντέλο «οφθαλμικής εξέτασης». «Όταν πηγαίνεις στον οπτομέτρη, κάθεσαι εκεί και λες:οριζόντια, κάθετη, καλύτερα, χειρότερα, Ε, Α, Τ», είπε. Αλλά αυτό το είδος αφηρημένης άσκησης μπορεί να μην είναι αντιπροσωπευτικό αυτού που κάνουμε συνήθως στη ζωή. "Ο εγκέφαλός μας δεν εξελίχθηκε για να καθόμαστε εκεί και να παρακολουθούμε παθητικά κάτι χωρίς να κάνουμε τίποτα γι' αυτό."

Ακόμη και το νέο έργο των ομάδων του Χάρις και του Τσόρτλαντ περιελάμβανε να κρατάει το κεφάλι του ποντικιού ακίνητο για να επιτρέψει την ανάγνωση από τον εγκέφαλο. «Αν ο εγκέφαλος κυριαρχείται από σήματα κίνησης όταν το ζώο δεν μπορεί να κινήσει [το κεφάλι του], τότε πώς θα μοιάζει όταν το ζώο μπορεί να κινηθεί;» Το Smear είπε.

Οι επιστήμονες υποστηρίζουν τώρα πρόσθετες προσεγγίσεις που πλησιάζουν περισσότερο στη μελέτη ζώων που εκτελούν μια φυσική συμπεριφορά, μια διαισθητική συμπεριφορά χωρίς εκπαίδευση. Φυσικά, υπάρχουν και άλλες προκλήσεις:Είναι πιο δύσκολο να προσδιοριστεί η αιτία και το αποτέλεσμα σε λιγότερο ελεγχόμενες ρυθμίσεις, για παράδειγμα.

Ακόμα κι έτσι, ο Niell έχει αρχίσει να μελετά ποντίκια που χρησιμοποιούν την όρασή τους για να πιάσουν και να φάνε γρύλους. «Είναι κάτι που ο εγκέφαλος του ποντικιού είναι συνδεδεμένος να κάνει», είπε, «και επίσης μια εργασία όπου κινούνται, και επομένως πρέπει να ενσωματώσουν την κίνησή τους με αυτό που υπάρχει εκεί έξω». Αυτός και οι συνάδελφοί του έχουν πλέον ανακαλύψει ότι ορισμένοι τύποι νευρώνων που έχουν ήδη ανακαλυφθεί έχουν συγκεκριμένους ρόλους συμπεριφοράς στη σύλληψη θηράματος.

«Αυτό που πιστεύουμε ότι είναι περίεργα ή ασυνήθιστα σήματα», είπε ο Niell, «μπορεί να αρχίσει να έχει νόημα όταν αφήνεις ένα ζώο να κάνει αυτό που θα έκανε συνήθως και δεν εκπαιδεύεις τα ποντίκια να είναι σαν ανθρωπάκια».

Ο ΜακΚόρμικ συμφώνησε. «Είχαμε μια πολύ φτωχή άποψη για τον εγκέφαλο», είπε. "Δεν θα έλεγα ότι έχουμε τέλεια θέα τώρα, αλλά ... έχουμε μια πιο πλούσια άποψη που πρέπει να αναπτυχθεί."

Σημείωση του συντάκτη (προστέθηκε στις 8 Νοεμβρίου 2019):  Η περιγραφόμενη εργασία που πραγματοποιήθηκε στο Cortexlab και από την ομάδα του Churchland έλαβε χρηματοδότηση από το Ίδρυμα Simons, το οποίο χρηματοδοτεί επίσης αυτό το εκδοτικά ανεξάρτητο περιοδικό.