Ο εγκέφαλος «περιστρέφει» τις αναμνήσεις για να τις σώσει από νέες αισθήσεις
Κατά τη διάρκεια κάθε στιγμής αφύπνισης, εμείς οι άνθρωποι και τα άλλα ζώα πρέπει να ισορροπούμε στα όρια της επίγνωσής μας για το παρελθόν και το παρόν. Πρέπει να απορροφούμε νέες αισθητηριακές πληροφορίες για τον κόσμο γύρω μας, ενώ διατηρούμε βραχυπρόθεσμες αναμνήσεις προηγούμενων παρατηρήσεων ή γεγονότων. Η ικανότητά μας να κατανοούμε το περιβάλλον μας, να μαθαίνουμε, να ενεργούμε και να σκεφτόμαστε εξαρτώνται από συνεχείς, ευκίνητες αλληλεπιδράσεις μεταξύ αντίληψης και μνήμης.
Αλλά για να το πετύχει αυτό, ο εγκέφαλος πρέπει να διατηρήσει τα δύο διαφορετικά. Διαφορετικά, οι εισερχόμενες ροές δεδομένων θα μπορούσαν να παρέμβουν σε αναπαραστάσεις προηγούμενων ερεθισμάτων και να μας αναγκάσουν να αντικαταστήσουμε ή να παρερμηνεύσουμε σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τα συμφραζόμενα. Συνδυάζοντας αυτήν την πρόκληση, μια σειρά ερευνών υπονοεί ότι ο εγκέφαλος δεν κατανέμει σωστά τη λειτουργία της βραχυπρόθεσμης μνήμης αποκλειστικά σε ανώτερες γνωστικές περιοχές όπως ο προμετωπιαίος φλοιός. Αντίθετα, οι αισθητήριες περιοχές και άλλα κατώτερα φλοιώδη κέντρα που ανιχνεύουν και αντιπροσωπεύουν εμπειρίες μπορεί επίσης να κωδικοποιούν και να αποθηκεύουν τις αναμνήσεις τους. Ωστόσο, αυτές οι αναμνήσεις δεν επιτρέπεται να παρεισφρήσουν στην αντίληψή μας για το παρόν ή να ξαναγραφτούν τυχαία από νέες εμπειρίες.
Μια εργασία που δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο Nature Neuroscience μπορεί τελικά να εξηγήσει πώς λειτουργεί το προστατευτικό buffer του εγκεφάλου. Ένα ζευγάρι ερευνητών έδειξε ότι, για να αναπαραστήσει τρέχοντα και περασμένα ερεθίσματα ταυτόχρονα χωρίς αμοιβαία παρεμβολή, ο εγκέφαλος ουσιαστικά «περιστρέφει» τις αισθητηριακές πληροφορίες για να τις κωδικοποιήσει ως μνήμη. Οι δύο ορθογώνιες αναπαραστάσεις μπορούν στη συνέχεια να αντληθούν από επικαλυπτόμενη νευρική δραστηριότητα χωρίς να παρεμβάλλονται η μία στην άλλη. Οι λεπτομέρειες αυτού του μηχανισμού μπορεί να βοηθήσουν στην επίλυση πολλών μακροχρόνιων συζητήσεων σχετικά με την επεξεργασία της μνήμης.
Για να καταλάβουμε πώς ο εγκέφαλος εμποδίζει τις νέες πληροφορίες και τις βραχυπρόθεσμες αναμνήσεις να θολώσουν μαζί, ο Timothy Buschman, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, και η Alexandra Libby, μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο εργαστήριό του, αποφάσισαν να επικεντρωθούν στην ακουστική αντίληψη στα ποντίκια. Έβαλαν τα ζώα να ακούνε παθητικά σεκάνς τεσσάρων συγχορδιών ξανά και ξανά, σε αυτό που ο Buschman ονόμασε «η χειρότερη συναυλία ποτέ».
Αυτές οι ακολουθίες επέτρεψαν στα ποντίκια να δημιουργήσουν συσχετισμούς μεταξύ συγκεκριμένων συγχορδιών, έτσι ώστε όταν άκουγαν μια αρχική συγχορδία έναντι μιας άλλης, να μπορούν να προβλέψουν ποιοι ήχοι θα ακολουθούσαν. Εν τω μεταξύ, οι ερευνητές εκπαίδευσαν ταξινομητές μηχανικής μάθησης για να αναλύουν τη νευρική δραστηριότητα που καταγράφεται από τον ακουστικό φλοιό των τρωκτικών κατά τη διάρκεια αυτών των συνεδριών ακρόασης, για να προσδιορίσουν πώς οι νευρώνες αντιπροσώπευαν συλλογικά κάθε ερέθισμα στην ακολουθία.
Ο Buschman και ο Libby παρακολούθησαν πώς άλλαξαν αυτά τα μοτίβα καθώς τα ποντίκια δημιούργησαν τους συσχετισμούς τους. Διαπίστωσαν ότι με την πάροδο του χρόνου, οι νευρικές αναπαραστάσεις των σχετικών χορδών άρχισαν να μοιάζουν μεταξύ τους. Αλλά παρατήρησαν επίσης ότι νέες, απροσδόκητες αισθητηριακές εισροές, όπως άγνωστες ακολουθίες συγχορδιών, θα μπορούσαν να παρεμβαίνουν στις αναπαραστάσεις του ποντικιού αυτού που άκουγε — στην πραγματικότητα, αντικαθιστώντας την αναπαράστασή του για προηγούμενες εισόδους. Οι νευρώνες άλλαξαν αναδρομικά την κωδικοποίηση ενός παρελθόντος ερεθίσματος για να ταιριάξουν με αυτό που συσχέτισε το ζώο με το μεταγενέστερο ερέθισμα — ακόμα κι αν αυτό ήταν λάθος.
Οι ερευνητές ήθελαν να προσδιορίσουν πώς ο εγκέφαλος πρέπει να διορθώνει αυτή την αναδρομική παρέμβαση για να διατηρήσει ακριβείς μνήμες. Έτσι εκπαίδευσαν έναν άλλο ταξινομητή για να εντοπίσει και να διαφοροποιήσει τα νευρικά μοτίβα που αντιπροσώπευαν μνήμες των χορδών στις ακολουθίες - τον τρόπο που πυροδοτούσαν οι νευρώνες, για παράδειγμα, όταν μια απροσδόκητη χορδή προκάλεσε σύγκριση με μια πιο οικεία ακολουθία. Ο ταξινομητής βρήκε ανέπαφα μοτίβα δραστηριότητας από μνήμες των πραγματικών συγχορδιών που είχαν ακουστεί — αντί των ψευδών «διορθώσεων» που γράφτηκαν αναδρομικά για να υποστηρίξουν παλαιότερες συσχετίσεις — αλλά αυτές οι κωδικοποιήσεις μνήμης έμοιαζαν πολύ διαφορετικές από τις αισθητηριακές αναπαραστάσεις.
Οι αναπαραστάσεις της μνήμης οργανώθηκαν σε αυτό που οι νευροεπιστήμονες περιγράφουν ως μια «ορθογώνια» διάσταση των αισθητηριακών αναπαραστάσεων, όλες εντός του ίδιου πληθυσμού νευρώνων. Ο Buschman το παρομοίασε με το να μένει χωρίς δωμάτιο ενώ έπαιρνε χειρόγραφες σημειώσεις σε ένα κομμάτι χαρτί. Όταν συμβεί αυτό, «θα περιστρέψετε το χαρτί σας 90 μοίρες και θα αρχίσετε να γράφετε στα περιθώρια», είπε. «Και αυτό είναι βασικά που κάνει ο εγκέφαλος. Λαμβάνει αυτή την πρώτη αισθητηριακή είσοδο, την καταγράφει στο κομμάτι χαρτί και, στη συνέχεια, περιστρέφει αυτό το κομμάτι χαρτιού κατά 90 μοίρες, ώστε να μπορεί να γράψει σε μια νέα αισθητηριακή είσοδο χωρίς παρεμβολές ή κυριολεκτικά αντικατάσταση."
Με άλλα λόγια, τα αισθητηριακά δεδομένα μετατράπηκαν σε μνήμη μέσω μιας μεταμόρφωσης των μοτίβων πυροδότησης των νευρώνων. «Οι πληροφορίες αλλάζουν επειδή πρέπει να προστατεύονται», δήλωσε η Αναστασία Κιγιονάγκα, γνωστική νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο που δεν συμμετείχε στη μελέτη.
Αυτή η χρήση της ορθογώνιας κωδικοποίησης για τον διαχωρισμό και την προστασία των πληροφοριών στον εγκέφαλο έχει παρατηρηθεί στο παρελθόν. Για παράδειγμα, όταν οι πίθηκοι ετοιμάζονται να κινηθούν, η νευρική δραστηριότητα στον κινητικό φλοιό τους αντιπροσωπεύει την πιθανή κίνηση, αλλά το κάνει ορθογώνια για να αποφευχθεί η παρεμβολή σε σήματα που οδηγούν πραγματικές εντολές στους μύες.
Ωστόσο, συχνά δεν ήταν σαφές πώς η νευρική δραστηριότητα μετασχηματίζεται με αυτόν τον τρόπο. Ο Buschman και ο Libby ήθελαν να απαντήσουν σε αυτή την ερώτηση για αυτό που παρατηρούσαν στον ακουστικό φλοιό των ποντικών τους. «Όταν ξεκίνησα για πρώτη φορά στο εργαστήριο, ήταν δύσκολο για μένα να φανταστώ πώς θα μπορούσε να συμβεί κάτι τέτοιο με τη δραστηριότητα νευρικής πυροδότησης», είπε ο Λίμπι. Ήθελε να "ανοίξει το μαύρο κουτί του τι κάνει το νευρωνικό δίκτυο για να δημιουργήσει αυτήν την ορθογωνικότητα."
Κοσκινίζοντας πειραματικά τις πιθανότητες, απέκλεισαν την πιθανότητα διαφορετικά υποσύνολα νευρώνων στον ακουστικό φλοιό να χειρίζονταν ανεξάρτητα τις αισθητηριακές και μνημονικές αναπαραστάσεις. Αντίθετα, έδειξαν ότι εμπλέκεται ο ίδιος γενικός πληθυσμός νευρώνων και ότι η δραστηριότητα των νευρώνων μπορούσε να χωριστεί σε δύο κατηγορίες. Μερικοί ήταν «σταθεροί» στη συμπεριφορά τους τόσο κατά την αναπαράσταση των αισθητηρίων όσο και κατά τη διάρκεια της μνήμης, ενώ άλλοι νευρώνες «εναλλαγής» άλλαζαν τα μοτίβα των αποκρίσεών τους για κάθε χρήση.
Προς έκπληξη των ερευνητών, αυτός ο συνδυασμός σταθερών και εναλλασσόμενων νευρώνων ήταν αρκετός για να περιστρέψει τις αισθητηριακές πληροφορίες και να τις μετατρέψει σε μνήμη. «Αυτή είναι όλη η μαγεία», είπε ο Μπούσμαν.
Στην πραγματικότητα, αυτός και ο Λίμπι χρησιμοποίησαν προσεγγίσεις υπολογιστικής μοντελοποίησης για να δείξουν ότι αυτός ο μηχανισμός ήταν ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για να δημιουργηθούν οι ορθογώνιες αναπαραστάσεις της αίσθησης και της μνήμης:Απαιτούσε λιγότερους νευρώνες και λιγότερη ενέργεια από τις εναλλακτικές λύσεις.
Τα ευρήματα των Buschman και Libby τροφοδοτούν μια αναδυόμενη τάση στη νευροεπιστήμη:ότι οι πληθυσμοί νευρώνων, ακόμη και σε κατώτερες αισθητήριες περιοχές, εμπλέκονται σε πιο πλούσια δυναμική κωδικοποίηση από ό,τι πιστευόταν προηγουμένως. «Αυτά τα μέρη του φλοιού που βρίσκονται χαμηλότερα στην τροφική αλυσίδα είναι επίσης εξοπλισμένα με πραγματικά ενδιαφέρουσες δυναμικές που ίσως δεν είχαμε πραγματικά εκτιμήσει μέχρι τώρα», δήλωσε ο Miguel Maravall, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο του Sussex που δεν συμμετείχε στην νέα μελέτη.
Το έργο θα μπορούσε να συμβάλει στη συμφιλίωση των δύο πλευρών μιας συνεχιζόμενης συζήτησης σχετικά με το εάν οι βραχυπρόθεσμες μνήμες διατηρούνται μέσω σταθερών, επίμονων αναπαραστάσεων ή μέσω δυναμικών νευρικών κωδίκων που αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου. Αντί να κατέβουμε από τη μία ή την άλλη πλευρά, «τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι βασικά είχαν και οι δύο δίκιο», είπε ο Buschman, με τους σταθερούς νευρώνες να επιτυγχάνουν τον πρώτο και να αλλάζουν νευρώνες στον δεύτερο. Ο συνδυασμός των διεργασιών είναι χρήσιμος επειδή "βοηθά στην πραγματικότητα στην αποφυγή παρεμβολών και στην πραγματοποίηση αυτής της ορθογώνιας περιστροφής."
Η μελέτη των Buschman και Libby μπορεί να είναι σχετική σε πλαίσια πέρα από την αισθητηριακή αναπαράσταση. Αυτοί και άλλοι ερευνητές ελπίζουν να αναζητήσουν αυτόν τον μηχανισμό της ορθογώνιας περιστροφής σε άλλες διαδικασίες:στο πώς ο εγκέφαλος παρακολουθεί πολλαπλές σκέψεις ή στόχους ταυτόχρονα. στον τρόπο με τον οποίο συμμετέχει σε μια εργασία ενώ αντιμετωπίζει περισπασμούς. στο πώς αντιπροσωπεύει τις εσωτερικές καταστάσεις. στον τρόπο με τον οποίο ελέγχει τη γνωστική λειτουργία, συμπεριλαμβανομένων των διαδικασιών προσοχής.
«Είμαι πραγματικά ενθουσιασμένος», είπε ο Buschman. Εξετάζοντας την εργασία άλλων ερευνητών, «Θυμάμαι απλώς ότι είδα, υπάρχει ένας σταθερός νευρώνας, υπάρχει ένας νευρώνας μεταγωγής! Τα βλέπετε παντού τώρα.»
Ο Libby ενδιαφέρεται για τις επιπτώσεις των αποτελεσμάτων του στην έρευνα τεχνητής νοημοσύνης, ιδιαίτερα στο σχεδιασμό αρχιτεκτονικών που είναι χρήσιμες για δίκτυα τεχνητής νοημοσύνης που πρέπει να κάνουν πολλαπλές εργασίες. "Θα ήθελα να δω αν οι άνθρωποι που εκ των προτέρων κατανέμουν νευρώνες στα νευρωνικά τους δίκτυα για να έχουν σταθερές ιδιότητες και ιδιότητες μεταγωγής, αντί για τυχαίες ιδιότητες, βοήθησαν τα δίκτυά τους με κάποιο τρόπο", είπε.
Συνολικά, "οι συνέπειες αυτού του είδους της κωδικοποίησης πληροφοριών θα είναι πολύ σημαντικές και πραγματικά ενδιαφέρουσες να τις ανακαλύψουμε", είπε ο Maravall.
