Οι νευρώνες κωδικοποιούν απροσδόκητα πληροφορίες κατά το χρόνο πυροδότησης τους
Για δεκαετίες, οι νευροεπιστήμονες αντιμετώπιζαν τον εγκέφαλο κάπως σαν μετρητή Geiger:Ο ρυθμός με τον οποίο πυροδοτούνται οι νευρώνες λαμβάνεται ως μέτρο δραστηριότητας, ακριβώς όπως ο ρυθμός κλικ ενός μετρητή Geiger δείχνει την ισχύ της ακτινοβολίας. Αλλά νέα έρευνα δείχνει ότι ο εγκέφαλος μπορεί να μοιάζει περισσότερο με ένα μουσικό όργανο. Όταν παίζετε πιάνο, το πόσο συχνά χτυπάτε τα πλήκτρα έχει σημασία, αλλά ο ακριβής χρονισμός των νότων είναι επίσης σημαντικός για τη μελωδία.
«Είναι πραγματικά σημαντικό όχι μόνο πόσες [ενεργοποιήσεις νευρώνων] συμβαίνουν, αλλά πότε ακριβώς συμβαίνουν», είπε ο Joshua Jacobs, νευροεπιστήμονας και βιοϊατρικός μηχανικός στο Πανεπιστήμιο Columbia που ανέφερε νέα στοιχεία για αυτόν τον ισχυρισμό τον περασμένο μήνα στο Cell .
Για πρώτη φορά, ο Τζέικομπς και δύο συν-συγγραφείς κατασκόπευσαν νευρώνες στον ανθρώπινο εγκέφαλο που κωδικοποιούν χωρικές πληροφορίες μέσω του χρόνου, και όχι του ρυθμού, της πυροδότησης τους. Αυτό το φαινόμενο χρονικής πυροδότησης είναι καλά τεκμηριωμένο σε ορισμένες περιοχές του εγκεφάλου των αρουραίων, αλλά η νέα μελέτη και άλλες υποδηλώνουν ότι μπορεί να είναι πολύ πιο διαδεδομένο στους εγκεφάλους των θηλαστικών. "Όσο περισσότερο το ψάχνουμε, τόσο περισσότερο το βλέπουμε", είπε ο Jacobs.
Ορισμένοι ερευνητές πιστεύουν ότι η ανακάλυψη μπορεί να βοηθήσει στην επίλυση ενός μεγάλου μυστηρίου:πώς οι εγκέφαλοι μπορούν να μάθουν τόσο γρήγορα.
Το φαινόμενο ονομάζεται μετάπτωση φάσης. Είναι μια σχέση μεταξύ του συνεχούς ρυθμού ενός εγκεφαλικού κύματος - της συνολικής άμπωτης και ροής της ηλεκτρικής σηματοδότησης σε μια περιοχή του εγκεφάλου - και των συγκεκριμένων στιγμών που ενεργοποιούν οι νευρώνες σε αυτήν την περιοχή του εγκεφάλου. Ένα εγκεφαλικό κύμα θήτα, για παράδειγμα, ανεβαίνει και πέφτει με σταθερό μοτίβο με την πάροδο του χρόνου, αλλά οι νευρώνες πυροδοτούν ασυνεπώς, σε διαφορετικά σημεία της τροχιάς του κύματος. Με αυτόν τον τρόπο, τα εγκεφαλικά κύματα λειτουργούν σαν ένα ρολόι, είπε ένας από τους συν-συγγραφείς της μελέτης, ο Salman Qasim, επίσης από την Κολούμπια. Αφήνουν τους νευρώνες να χρονομετρούν τις πυροδοτήσεις τους με ακρίβεια, έτσι ώστε να προσγειώνονται στην περιοχή πυροδότησης άλλων νευρώνων — δημιουργώντας έτσι συνδέσεις μεταξύ των νευρώνων.
Οι ερευνητές άρχισαν να παρατηρούν μετάπτωση φάσης πριν από δεκαετίες μεταξύ των νευρώνων στον εγκέφαλο των αρουραίων που κωδικοποιούν πληροφορίες σχετικά με τη θέση του χώρου. Ο ανθρώπινος εγκέφαλος και ο εγκέφαλος αρουραίου περιέχουν και τα δύο αυτά τα λεγόμενα κύτταρα τόπου, καθένα από τα οποία είναι συντονισμένο σε μια συγκεκριμένη περιοχή ή «πεδίο τόπου». Ο εγκέφαλός μας φαίνεται να κλιμακώνει αυτά τα πεδία για να καλύψει το τρέχον περιβάλλον μας, είτε πρόκειται για μίλια αυτοκινητόδρομου είτε για τα δωμάτια του σπιτιού κάποιου, δήλωσε ο Kamran Diba, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν. Όσο πιο κοντά πλησιάζετε στο κέντρο ενός πεδίου τόπου, τόσο πιο γρήγορα ενεργοποιείται το αντίστοιχο κελί τόπου. Καθώς φεύγετε από ένα πεδίο θέσης και εισέρχεστε σε ένα άλλο, η πυροδότηση της πρώτης θέσης σβήνει, ενώ αυτή της δεύτερης αυξάνεται.
Αλλά μαζί με τον ρυθμό, υπάρχει και ο συγχρονισμός:Καθώς ο αρουραίος διέρχεται από ένα πεδίο τόπου, το σχετικό κύτταρο τόπου ενεργοποιείται νωρίτερα και νωρίτερα σε σχέση με τον κύκλο του κύματος θήτα φόντου. Καθώς ο αρουραίος περνά από το ένα πεδίο σε ένα άλλο, η πολύ πρώιμη πυροδότηση του πρώτου κελιού λαμβάνει χώρα κοντά στο χρόνο με την καθυστερημένη πυροδότηση του επόμενου κελιού θέσης. Οι σχεδόν ταυτόσημες πυροδοτήσεις τους προκαλούν την ενίσχυση της σύναψης ή της σύνδεσης μεταξύ τους και αυτή η σύζευξη των κυττάρων του τόπου εδραιώνει την τροχιά του αρουραίου στον εγκέφαλο. (Οι πληροφορίες φαίνεται να κωδικοποιούνται μέσω της ενίσχυσης των συνάψεων μόνο όταν δύο νευρώνες πυροδοτούνται σε απόσταση δεκάδων χιλιοστών του δευτερολέπτου ο ένας από τον άλλο.)
Η μετάπτωση φάσης είναι εμφανής στους αρουραίους. «Είναι τόσο σημαντικό και διαδεδομένο στον εγκέφαλο των τρωκτικών που σε κάνει να θέλεις να υποθέσεις ότι είναι ένας γενικεύσιμος μηχανισμός», είπε ο Qasim. Οι επιστήμονες είχαν επίσης εντοπίσει τη μετάπτωση φάσης στη χωρική επεξεργασία των νυχτερίδων και των μαρμοσετών, αλλά το μοτίβο ήταν άπιαστο στους ανθρώπους μέχρι τώρα.
Η παρακολούθηση μεμονωμένων νευρώνων είναι πολύ επεμβατική για να γίνει για τον μέσο άνθρωπο συμμετέχοντα στη μελέτη, αλλά η ομάδα της Κολούμπια εκμεταλλεύτηκε δεδομένα που συλλέχθηκαν πριν από χρόνια από 13 επιληψικούς ασθενείς στους οποίους είχαν ήδη εμφυτευθεί ηλεκτρόδια για να χαρτογραφήσει τα ηλεκτρικά σήματα των επιληπτικών κρίσεων. Τα ηλεκτρόδια κατέγραψαν τις πυροδοτήσεις μεμονωμένων νευρώνων, ενώ οι ασθενείς οδήγησαν το δρόμο τους μέσω μιας προσομοίωσης εικονικής πραγματικότητας χρησιμοποιώντας ένα joystick. Καθώς οι ασθενείς έκαναν ελιγμούς γύρω τους, οι ερευνητές εντόπισαν μετάπτωση φάσης στο 12% των νευρώνων που παρακολουθούσαν.
Η απόσυρση αυτών των σημάτων απαιτούσε περίπλοκη στατιστική ανάλυση, επειδή οι άνθρωποι εμφανίζουν ένα πιο περίπλοκο μοτίβο αλληλοκαλυπτόμενων εγκεφαλικών κυμάτων από τα τρωκτικά - και επειδή λιγότερο από τη νευρική μας δραστηριότητα είναι αφιερωμένη στην πλοήγηση. Αλλά οι ερευνητές θα μπορούσαν να πουν οριστικά ότι υπάρχει μετάπτωση φάσης.
Άλλες έρευνες δείχνουν ότι η μετάπτωση φάσης μπορεί να είναι κρίσιμη πέρα από την πλοήγηση. Στα ζώα, το φαινόμενο έχει συνδεθεί με μη χωρικές αντιλήψεις, συμπεριλαμβανομένης της επεξεργασίας των ήχων και της όσφρησης. Και στους ανθρώπους, έρευνα που συντάχθηκε από τον Jacobs πέρυσι βρήκε μετάπτωση φάσης σε εγκεφαλικά κύτταρα ευαίσθητα στο χρόνο. Μια προεκτύπωση που δεν έχει ακόμη αξιολογηθεί από ομοτίμους από γνωστικούς επιστήμονες στη Γαλλία και την Ολλανδία έδειξε ότι η επεξεργασία σειριακών εικόνων περιλάμβανε επίσης μετάπτωση φάσης. Τέλος, στη νέα μελέτη του Jacobs, βρέθηκε όχι μόνο στην κυριολεκτική πλοήγηση, αλλά και καθώς οι άνθρωποι προόδευαν προς αφηρημένους στόχους στην προσομοίωση.
Αυτές οι μελέτες υποδηλώνουν ότι η μετάπτωση φάσης επιτρέπει στον εγκέφαλο να συνδέει αλληλουχίες χρόνων, εικόνων και γεγονότων με τον ίδιο τρόπο που κάνει τις χωρικές θέσεις. «Η εύρεση αυτών των πρώτων στοιχείων ανοίγει πραγματικά την πόρτα για να είναι ένα είδος καθολικού μηχανισμού κωδικοποίησης στον εγκέφαλο - πιθανώς σε όλα τα είδη θηλαστικών», είπε ο Qasim. "Μπορεί να χάσετε πολλές πληροφορίες κωδικοποίησης εάν δεν παρακολουθείτε το σχετικό χρονισμό της νευρωνικής δραστηριότητας."
Στην πραγματικότητα, οι νευροεπιστήμονες αναζητούν ένα νέο είδος κωδικοποίησης στον εγκέφαλο για να απαντήσουν στο μακροχρόνιο ερώτημα:Πώς ο εγκέφαλος κωδικοποιεί τις πληροφορίες τόσο γρήγορα; Είναι κατανοητό ότι τα μοτίβα στα εξωτερικά δεδομένα ενσωματώνονται στα μοτίβα ενεργοποίησης του δικτύου μέσω της ενίσχυσης και της αποδυνάμωσης των συναπτικών συνδέσεων. Ωστόσο, οι ερευνητές τεχνητής νοημοσύνης πρέπει συνήθως να εκπαιδεύσουν τεχνητά νευρωνικά δίκτυα σε εκατοντάδες ή χιλιάδες παραδείγματα μοτίβου ή ιδέας πριν προσαρμοστούν αρκετά οι δυνάμεις της σύναψης ώστε το δίκτυο να μάθει το μοτίβο. Μυστηριωδώς, οι άνθρωποι μπορούν συνήθως να μάθουν από μόνο ένα ή λίγα παραδείγματα.
Η μετάπτωση φάσης θα μπορούσε να παίξει ρόλο σε αυτήν την ανισότητα. Ένας υπαινιγμός αυτού προέρχεται από μια μελέτη από ερευνητές του Johns Hopkins που διαπίστωσαν ότι η μετάπτωση φάσης εμφανίστηκε σε αρουραίους που μάθαιναν ένα άγνωστο κομμάτι - στον πρώτο τους γύρο. "Μόλις μαθαίνετε κάτι, αυτό το μοτίβο για τις ακολουθίες εκμάθησης είναι ήδη σε ισχύ", πρόσθεσε ο Qasim. "Αυτό μπορεί να διευκολύνει την πολύ γρήγορη εκμάθηση των ακολουθιών."
Η μετάπτωση φάσης οργανώνει το χρονοδιάγραμμα έτσι ώστε η μάθηση να γίνεται πιο συχνά από ό,τι θα μπορούσε διαφορετικά. Κανονίζει ώστε οι νευρώνες που ενεργοποιούνται από σχετικές πληροφορίες να πυροδοτούνται με αρκετά γρήγορη διαδοχή ώστε να ενισχυθεί η μεταξύ τους σύναψη. "Θα υποδείκνυε αυτή την ιδέα ότι ο εγκέφαλος βασικά υπολογίζει πιο γρήγορα από ό,τι θα φανταζόσασταν μόνο από την κωδικοποίηση ρυθμών", είπε ο Diba.
Υπάρχουν και άλλες θεωρίες σχετικά με τις ικανότητές μας ταχείας μάθησης. Και οι ερευνητές τόνισαν ότι είναι δύσκολο να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με οποιονδήποτε διαδεδομένο ρόλο της μετάπτωσης φάσης στον εγκέφαλο από τις περιορισμένες μέχρι τώρα μελέτες.
Ωστόσο, ίσως χρειάζεται μια διεξοδική έρευνα για το φαινόμενο. Ο Bradley Lega, νευρολόγος στο Νοτιοδυτικό Ιατρικό Κέντρο του Πανεπιστημίου του Τέξας, είπε, "Υπάρχουν πολλά προβλήματα που μπορεί να λύσει η μετάπτωση φάσης."
Η διόρθωση προστέθηκε στις 13 Ιουλίου 2021:
Ο υπότιτλος αυτού του άρθρου άλλαξε για να διορθωθεί η εσφαλμένη εντύπωση ότι η πρόσφατη εργασία στο Το Cell ήταν η πρώτη αναφορά μετάπτωσης φάσης στον ανθρώπινο εγκέφαλο. Όπως αναφέρει το άρθρο, άλλες πρόσφατες μελέτες έχουν εντοπίσει το φαινόμενο στους ανθρώπους σε περιβάλλοντα εκτός από τη χωρική πλοήγηση.
