Για να είναι ενεργειακά αποδοτικοί, οι εγκέφαλοι προβλέπουν τις αντιλήψεις τους
Το πώς ο εγκέφαλός μας, μια μάζα ιστού τριών λιβρών που περικλείεται μέσα σε ένα οστέινο κρανίο, δημιουργεί αντιλήψεις από τις αισθήσεις είναι ένα μακροχρόνιο μυστήριο. Τα άφθονα στοιχεία και οι δεκαετίες συνεχούς έρευνας υποδηλώνουν ότι ο εγκέφαλος δεν μπορεί απλώς να συγκεντρώνει αισθητηριακές πληροφορίες, σαν να έφτιαχνε ένα παζλ, για να αντιληφθεί το περιβάλλον του. Αυτό επιβεβαιώνεται από το γεγονός ότι ο εγκέφαλος μπορεί να κατασκευάσει μια σκηνή με βάση το φως που εισέρχεται στα μάτια μας, ακόμη και όταν οι εισερχόμενες πληροφορίες είναι θορυβώδεις και διφορούμενες.
Κατά συνέπεια, πολλοί νευροεπιστήμονες στρέφονται προς την άποψη του εγκεφάλου ως «μηχανής πρόβλεψης». Μέσω της προγνωστικής επεξεργασίας, ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί την προηγούμενη γνώση του για τον κόσμο για να βγάλει συμπεράσματα ή να δημιουργήσει υποθέσεις σχετικά με τις αιτίες των εισερχόμενων αισθητηριακών πληροφοριών. Αυτές οι υποθέσεις - και όχι οι ίδιες οι αισθητηριακές εισροές - δημιουργούν αντιλήψεις στο μάτι του μυαλού μας. Όσο πιο διφορούμενη είναι η εισαγωγή, τόσο μεγαλύτερη είναι η εξάρτηση από την προηγούμενη γνώση.
«Η ομορφιά του πλαισίου προγνωστικής επεξεργασίας [είναι] ότι έχει μια πραγματικά μεγάλη - μερικές φορές οι κριτικοί μπορεί να πουν πολύ μεγάλη - ικανότητα να εξηγεί πολλά διαφορετικά φαινόμενα σε πολλά διαφορετικά συστήματα», δήλωσε ο Floris de Lange, νευροεπιστήμονας στο Predictive Brain. Εργαστήριο του Πανεπιστημίου Radboud στην Ολλανδία.
Ωστόσο, τα αυξανόμενα νευροεπιστημονικά στοιχεία για αυτήν την ιδέα ήταν κυρίως περιστασιακά και είναι ανοιχτά σε εναλλακτικές εξηγήσεις. «Αν κοιτάξετε τη γνωστική νευροεπιστήμη και τη νευροαπεικόνιση στους ανθρώπους, [υπάρχουν] πολλά στοιχεία — αλλά υπερ-σιωπηρά, έμμεσα στοιχεία», δήλωσε ο Tim Kietzmann του Πανεπιστημίου Radboud, του οποίου η έρευνα βρίσκεται στη διεπιστημονική περιοχή της μηχανικής μάθησης και της νευροεπιστήμης. .
Έτσι, οι ερευνητές στρέφονται σε υπολογιστικά μοντέλα για να κατανοήσουν και να δοκιμάσουν την ιδέα του προγνωστικού εγκεφάλου. Υπολογιστικοί νευροεπιστήμονες έχουν κατασκευάσει τεχνητά νευρωνικά δίκτυα, με σχέδια εμπνευσμένα από τη συμπεριφορά βιολογικών νευρώνων, που μαθαίνουν να κάνουν προβλέψεις σχετικά με τις εισερχόμενες πληροφορίες. Αυτά τα μοντέλα δείχνουν μερικές παράξενες ικανότητες που φαίνεται να μιμούνται αυτές του πραγματικού εγκεφάλου. Ορισμένα πειράματα με αυτά τα μοντέλα υποδηλώνουν ακόμη ότι οι εγκέφαλοι έπρεπε να εξελιχθούν ως μηχανές πρόβλεψης για να ικανοποιήσουν τους ενεργειακούς περιορισμούς.
Και καθώς τα υπολογιστικά μοντέλα πολλαπλασιάζονται, οι νευροεπιστήμονες που μελετούν ζωντανά ζώα γίνονται επίσης πιο πεπεισμένοι ότι οι εγκέφαλοι μαθαίνουν να συνάγουν τις αιτίες των αισθητηριακών εισροών. Ενώ οι ακριβείς λεπτομέρειες του τρόπου με τον οποίο ο εγκέφαλος το κάνει αυτό παραμένουν θολά, οι ευρείες πινελιές γίνονται πιο ξεκάθαρες.
Ασυνείδητα συμπεράσματα στην αντίληψη
Η προγνωστική επεξεργασία μπορεί να φαίνεται στην αρχή σαν ένας αντιδιαισθητικά πολύπλοκος μηχανισμός αντίληψης, αλλά υπάρχει μακρά ιστορία επιστημόνων που στρέφονται σε αυτήν επειδή άλλες εξηγήσεις έμοιαζαν ανεπαρκείς. Ακόμη και πριν από χίλια χρόνια, ο μουσουλμάνος Άραβας αστρονόμος και μαθηματικός Hasan Ibn Al-Haytham τόνισε μια μορφή της στο Βιβλίο Οπτικής του να εξηγήσει διάφορες πτυχές της όρασης. Η ιδέα συγκέντρωσε ισχύ τη δεκαετία του 1860, όταν ο Γερμανός φυσικός και γιατρός Hermann von Helmholtz υποστήριξε ότι ο εγκέφαλος συνάγει τις εξωτερικές αιτίες των εισερχόμενων αισθητηριακών εισροών του αντί να κατασκευάζει τις αντιλήψεις του «από κάτω προς τα πάνω» από αυτές τις εισροές.
Ο Helmholtz εξέθεσε αυτή την έννοια του «ασυνείδητου συμπεράσματος» για να εξηγήσει την αντίληψη δισταθερής ή πολλαπλής σταθερότητας, στην οποία μια εικόνα μπορεί να γίνει αντιληπτή με περισσότερους από έναν τρόπους. Αυτό συμβαίνει, για παράδειγμα, με τη γνωστή διφορούμενη εικόνα που μπορούμε να αντιληφθούμε ως πάπια ή κουνέλι:Η αντίληψή μας συνεχίζει να γυρίζει ανάμεσα στις δύο εικόνες ζώων. Σε τέτοιες περιπτώσεις, ο Helmholtz ισχυρίστηκε ότι η αντίληψη πρέπει να είναι αποτέλεσμα μιας ασυνείδητης διαδικασίας συμπερασμάτων από πάνω προς τα κάτω σχετικά με τις αιτίες των αισθητηριακών δεδομένων, καθώς η εικόνα που σχηματίζεται στον αμφιβληστροειδή δεν αλλάζει.
Κατά τη διάρκεια του 20ου αιώνα, οι γνωστικοί ψυχολόγοι συνέχισαν να υποστηρίζουν ότι η αντίληψη ήταν μια διαδικασία ενεργητικής κατασκευής που βασιζόταν τόσο σε αισθητηριακές εισροές από κάτω προς τα πάνω όσο και σε εννοιολογικές εισροές από πάνω προς τα κάτω. Η προσπάθεια κορυφώθηκε σε μια επιδραστική εργασία του 1980, «Perceptions as Hypotheses», του αείμνηστου Richard Langton Gregory, η οποία υποστήριξε ότι οι αντιληπτικές ψευδαισθήσεις είναι ουσιαστικά οι εσφαλμένες εικασίες του εγκεφάλου σχετικά με τις αιτίες των αισθητηριακών εντυπώσεων. Εν τω μεταξύ, οι επιστήμονες της όρασης υπολογιστών σκόνταψαν στις προσπάθειές τους να χρησιμοποιήσουν την ανακατασκευή από κάτω προς τα πάνω για να επιτρέψουν στους υπολογιστές να βλέπουν χωρίς ένα εσωτερικό «δημιουργικό» μοντέλο για αναφορά.
«Η προσπάθεια να κατανοήσουμε δεδομένα χωρίς ένα παραγωγικό μοντέλο είναι καταδικασμένη σε αποτυχία – το μόνο που μπορεί να κάνει κανείς είναι να κάνει δηλώσεις σχετικά με τα μοτίβα στα δεδομένα», δήλωσε ο Karl Friston, ένας υπολογιστικός νευροεπιστήμονας στο University College του Λονδίνου.
Αλλά ενώ η αποδοχή της προγνωστικής επεξεργασίας αυξανόταν, παρέμειναν ερωτήματα σχετικά με το πώς θα μπορούσε να εφαρμοστεί στον εγκέφαλο. Ένα δημοφιλές μοντέλο, που ονομάζεται προγνωστική κωδικοποίηση, υποστηρίζει μια ιεραρχία των επιπέδων επεξεργασίας πληροφοριών στον εγκέφαλο. Το υψηλότερο επίπεδο αντιπροσωπεύει την πιο αφηρημένη, υψηλού επιπέδου γνώση (για παράδειγμα, την αντίληψη ενός φιδιού στις σκιές μπροστά). Αυτό το στρώμα κάνει προβλέψεις, προβλέποντας τη νευρική δραστηριότητα του στρώματος από κάτω, στέλνοντας σήματα προς τα κάτω. Το κατώτερο στρώμα συγκρίνει την πραγματική του δραστηριότητα με την πρόβλεψη από πάνω. Εάν υπάρχει αναντιστοιχία, το επίπεδο δημιουργεί ένα σήμα σφάλματος που ρέει προς τα πάνω, έτσι ώστε το υψηλότερο επίπεδο να μπορεί να ενημερώσει τις εσωτερικές του αναπαραστάσεις.
Αυτή η διαδικασία συμβαίνει ταυτόχρονα για κάθε ζεύγος διαδοχικών στρωμάτων, μέχρι το κατώτατο στρώμα, το οποίο λαμβάνει πραγματική αισθητηριακή είσοδο. Οποιαδήποτε ασυμφωνία μεταξύ αυτού που λαμβάνεται από τον κόσμο και του αναμενόμενου έχει ως αποτέλεσμα ένα σήμα σφάλματος που δημιουργεί αντίγραφα ασφαλείας της ιεραρχίας. Το υψηλότερο στρώμα ενημερώνει τελικά την υπόθεσή του (ότι τελικά δεν ήταν φίδι, απλώς ένα κουλουριασμένο σχοινί στο έδαφος).
«Γενικά, η ιδέα της προγνωστικής κωδικοποίησης, ειδικά όταν εφαρμόζεται στον φλοιό, είναι ότι ο εγκέφαλος έχει βασικά δύο πληθυσμούς νευρώνων», είπε ο de Lange:ένας που κωδικοποιεί την τρέχουσα καλύτερη πρόβλεψη για το τι γίνεται αντιληπτό και ένας άλλος που σηματοδοτεί. σφάλματα σε αυτήν την πρόβλεψη.
Το 1999, οι επιστήμονες υπολογιστών Rajesh Rao και Dana Ballard (τότε στο Salk Institute for Biological Studies και στο Πανεπιστήμιο του Rochester, αντίστοιχα) κατασκεύασαν ένα τρομερό υπολογιστικό μοντέλο προγνωστικής κωδικοποίησης που είχε νευρώνες ρητά για πρόβλεψη και διόρθωση σφαλμάτων. Διαμόρφωσαν τμήματα μιας διαδρομής στο σύστημα οπτικής επεξεργασίας του εγκεφάλου των πρωτευόντων που αποτελείται από ιεραρχικά οργανωμένες περιοχές υπεύθυνες για την αναγνώριση προσώπων και αντικειμένων. Έδειξαν ότι το μοντέλο θα μπορούσε να ανακεφαλαιώσει κάποιες ασυνήθιστες συμπεριφορές του οπτικού συστήματος των πρωτευόντων.
Αυτή η εργασία, ωστόσο, έγινε πριν από την εμφάνιση των σύγχρονων βαθιών νευρωνικών δικτύων, τα οποία έχουν ένα στρώμα εισόδου, ένα στρώμα εξόδου και πολλαπλά κρυφά στρώματα που βρίσκονται ανάμεσα στα δύο. Μέχρι το 2012, οι νευροεπιστήμονες χρησιμοποιούσαν βαθιά νευρωνικά δίκτυα για να μοντελοποιήσουν την κοιλιακή οπτική ροή των πρωτευόντων. Αλλά σχεδόν όλα αυτά τα μοντέλα ήταν δίκτυα τροφοδοσίας, στα οποία οι πληροφορίες ρέουν μόνο από την είσοδο στην έξοδο. «Ο εγκέφαλος σαφώς δεν είναι μια μηχανή καθαρής τροφοδοσίας», είπε ο de Lange. "Υπάρχει πολλή ανατροφοδότηση στον εγκέφαλο, όσο περίπου υπάρχει ανάδραση [σηματοδότηση]."
Έτσι, οι νευροεπιστήμονες στράφηκαν σε έναν άλλο τύπο μοντέλου, που ονομάζεται επαναλαμβανόμενο νευρωνικό δίκτυο (RNN). Αυτά έχουν χαρακτηριστικά που τα καθιστούν «ιδανικό υπόστρωμα» για τη μοντελοποίηση του εγκεφάλου, σύμφωνα με τον Kanaka Rajan, έναν υπολογιστικό νευροεπιστήμονα και επίκουρο καθηγητή στο Icahn School of Medicine στο Mount Sinai στη Νέα Υόρκη, του οποίου το εργαστήριο χρησιμοποιεί RNN για την κατανόηση της εγκεφαλικής λειτουργίας. Τα RNN έχουν και συνδέσεις ανάδρασης και ανάδρασης μεταξύ των νευρώνων τους και έχουν συνεχή συνεχή δραστηριότητα που είναι ανεξάρτητη από εισόδους. "Η ικανότητα παραγωγής αυτής της δυναμικής για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα, ουσιαστικά για πάντα, είναι αυτό που δίνει σε αυτά τα δίκτυα τη δυνατότητα να εκπαιδεύονται στη συνέχεια", δήλωσε ο Rajan.
Η πρόβλεψη είναι ενεργειακά αποδοτική
Τα RNN τράβηξαν την προσοχή του William Lotter και των συμβούλων του για τη διδακτορική διατριβή David Cox και Gabriel Kreiman στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. Το 2016, η ομάδα έδειξε ένα RNN που έμαθε να προβλέπει το επόμενο καρέ σε μια ακολουθία βίντεο. Το ονόμασαν PredNet («Θα αναλάβω την ευθύνη που δεν έχω αρκετή δημιουργικότητα για να καταλήξω σε κάτι καλύτερο», είπε ο Λότερ). Η ομάδα σχεδίασε το RNN σύμφωνα με τις αρχές της προγνωστικής κωδικοποίησης ως μια ιεραρχία τεσσάρων επιπέδων, καθένα από τα οποία προβλέπει την είσοδο που αναμένει από το παρακάτω επίπεδο και στέλνει ένα σήμα σφάλματος προς τα πάνω εάν υπάρχει αναντιστοιχία.
Στη συνέχεια εκπαίδευσαν το δίκτυο σε βίντεο από δρόμους της πόλης που τραβήχτηκαν από κάμερα τοποθετημένη σε αυτοκίνητο. Το PredNet έμαθε να προβλέπει συνεχώς το επόμενο καρέ σε ένα βίντεο. «Δεν ξέραμε αν θα λειτουργούσε πραγματικά», είπε ο Λότερ. «Το δοκιμάσαμε και είδαμε ότι έκανε πραγματικά προβλέψεις. Και αυτό ήταν πολύ ωραίο."
Το επόμενο βήμα ήταν η σύνδεση του PredNet με τη νευροεπιστήμη. Πέρυσι στο Nature Machine Intelligence , ο Lotter και οι συνεργάτες του ανέφεραν ότι το PredNet επιδεικνύει συμπεριφορές που παρατηρούνται σε εγκεφάλους πιθήκων ως απόκριση σε απροσδόκητα ερεθίσματα, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων που είναι δύσκολο να αναπαραχθούν σε απλά δίκτυα προώθησης.
«Είναι φανταστική δουλειά», είπε ο Kietzmann για το PredNet. Αλλά αυτός, ο Marcel van Gerven και οι συνάδελφοί τους στο Radboud αναζητούσαν κάτι πιο βασικό:Τόσο το μοντέλο Rao and Ballard όσο και το PredNet ενσωμάτωσαν ρητά τεχνητούς νευρώνες για πρόβλεψη και διόρθωση σφαλμάτων, μαζί με μηχανισμούς που προκάλεσαν σωστές προβλέψεις από πάνω προς τα κάτω για να αναστείλουν τους νευρώνες σφάλματος. . Τι θα γινόταν όμως αν αυτά δεν προσδιορίζονταν ρητά; «Αναρωτηθήκαμε αν όλοι αυτοί οι αρχιτεκτονικοί περιορισμοί είναι πραγματικά απαραίτητοι ή αν θα ξεφύγουμε με μια ακόμη απλούστερη προσέγγιση», είπε ο Kietzmann.
Αυτό που συνέβη στους Kietzmann και van Gerven ήταν ότι η νευρική επικοινωνία είναι ενεργειακά δαπανηρή (ο εγκέφαλος είναι το πιο ενεργοβόρο όργανο στο σώμα). Επομένως, η ανάγκη για εξοικονόμηση ενέργειας μπορεί να περιορίσει τη συμπεριφορά οποιουδήποτε εξελισσόμενου νευρωνικού δικτύου στους οργανισμούς.
Οι ερευνητές αποφάσισαν να δουν εάν κάποιος από τους υπολογιστικούς μηχανισμούς για την προγνωστική κωδικοποίηση θα μπορούσε να εμφανιστεί σε RNN που έπρεπε να ολοκληρώσουν τα καθήκοντά τους χρησιμοποιώντας όσο το δυνατόν λιγότερη ενέργεια. Σκέφτηκαν ότι τα δυνατά σημεία των συνδέσεων, γνωστά και ως βάρη, μεταξύ των τεχνητών νευρώνων στα δίκτυά τους θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως υποκατάστατο για τη συναπτική μετάδοση, κάτι που ευθύνεται για μεγάλο μέρος της χρήσης ενέργειας στους βιολογικούς νευρώνες. "Αν μειώσετε τα βάρη μεταξύ τεχνητών μονάδων, αυτό σημαίνει ότι επικοινωνείτε με λιγότερη ενέργεια", είπε ο Kietzmann. "Το θεωρούμε ως ελαχιστοποίηση της συναπτικής μετάδοσης."
Στη συνέχεια, η ομάδα εκπαίδευσε ένα RNN σε πολλές ακολουθίες διαδοχικών ψηφίων σε αύξουσα σειρά περιτυλίγματος:1234567890, 3456789012, 6789012345 και ούτω καθεξής. Κάθε ψηφίο εμφανίστηκε στο δίκτυο με τη μορφή εικόνας 28 επί 28 εικονοστοιχείων. Το RNN έμαθε ένα εσωτερικό μοντέλο που θα μπορούσε να προβλέψει ποιο θα ήταν το επόμενο ψηφίο, ξεκινώντας από οποιαδήποτε τυχαία θέση στην ακολουθία. Αλλά το δίκτυο αναγκάστηκε να το κάνει αυτό με τα μικρότερα δυνατά βάρη μεταξύ των μονάδων, ανάλογα με τα χαμηλά επίπεδα νευρικής δραστηριότητας σε ένα βιολογικό νευρικό σύστημα.
Κάτω από αυτές τις συνθήκες, το RNN έμαθε να προβλέπει τον επόμενο αριθμό στην ακολουθία. Μερικοί από τους τεχνητούς νευρώνες του λειτουργούσαν ως «μονάδες πρόβλεψης» που αντιπροσωπεύουν ένα μοντέλο των αναμενόμενων εισόδων. Άλλοι νευρώνες λειτουργούσαν ως «μονάδες σφάλματος» που ήταν πιο ενεργοί όταν οι μονάδες πρόβλεψης δεν είχαν μάθει ακόμη να προβλέπουν σωστά τον επόμενο αριθμό. Αυτές οι μονάδες σφάλματος έγιναν υποτονικές όταν οι μονάδες πρόβλεψης άρχισαν να το κάνουν σωστά. Το κρίσιμο ήταν ότι το δίκτυο έφτασε σε αυτήν την αρχιτεκτονική επειδή αναγκάστηκε να ελαχιστοποιήσει τη χρήση ενέργειας. «Απλώς μαθαίνει να κάνει το είδος της αναστολής που οι άνθρωποι συνήθως ενσωματώνουν ρητά στο σύστημα», είπε ο Kietzmann. "Το σύστημά μας το κάνει αυθόρμητα, ως επείγον πράγμα, για να είναι ενεργειακά αποδοτικό."
Το βασικό είναι ότι ένα νευρωνικό δίκτυο που ελαχιστοποιεί τη χρήση ενέργειας θα καταλήξει να εφαρμόζει κάποιο είδος προγνωστικής επεξεργασίας — γεγονός που σημαίνει ότι οι βιολογικοί εγκέφαλοι πιθανότατα κάνουν το ίδιο.
Ο Rajan ονόμασε το έργο του Kietzmann ένα «πολύ καθαρό παράδειγμα του πώς οι περιορισμοί από πάνω προς τα κάτω, όπως η ελαχιστοποίηση ενέργειας, μπορούν έμμεσα να οδηγήσουν σε μια συγκεκριμένη λειτουργία όπως η προγνωστική κωδικοποίηση». Την ώθησε να αναρωτηθεί εάν η εμφάνιση συγκεκριμένων μονάδων σφάλματος και πρόβλεψης στο RNN θα μπορούσε να είναι μια ακούσια συνέπεια του γεγονότος ότι μόνο οι νευρώνες στην άκρη του δικτύου λάμβαναν εισόδους. Εάν οι είσοδοι κατανεμήθηκαν σε όλο το δίκτυο, "η τρελή εικασία μου είναι ότι δεν θα βρείτε τον διαχωρισμό μεταξύ των μονάδων σφάλματος και των μονάδων πρόβλεψης, αλλά θα εξακολουθείτε να βρείτε προγνωστική δραστηριότητα", είπε.
Ένα ενοποιητικό πλαίσιο για εγκεφαλικές συμπεριφορές
Όσο πειστικές κι αν φαίνονται αυτές οι γνώσεις από υπολογιστικές μελέτες, τελικά, μόνο στοιχεία από ζωντανούς εγκεφάλους μπορούν να πείσουν τους νευροεπιστήμονες για προγνωστική επεξεργασία στον εγκέφαλο. Για το σκοπό αυτό, ο Blake Richards, νευροεπιστήμονας και επιστήμονας υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο McGill και η Mila, το Ινστιτούτο Τεχνητής Νοημοσύνης του Κεμπέκ, και οι συνεργάτες του διατύπωσαν ορισμένες σαφείς υποθέσεις σχετικά με το τι πρέπει να δουν στον εγκέφαλο που μαθαίνει να κάνει προβλέψεις για απροσδόκητα γεγονότα.
Για να ελέγξουν τις υποθέσεις τους, στράφηκαν σε ερευνητές στο Ινστιτούτο Άλεν για την Επιστήμη του Εγκεφάλου στο Σιάτλ, οι οποίοι πραγματοποίησαν πειράματα σε ποντίκια ενώ παρακολουθούσαν τη νευρική δραστηριότητα στον εγκέφαλό τους. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον είχαν ορισμένοι πυραμιδικοί νευρώνες στον νεοφλοιό του εγκεφάλου, οι οποίοι πιστεύεται ότι είναι ανατομικά κατάλληλοι για προγνωστική επεξεργασία. Μπορούν να λαμβάνουν τόσο τοπικά αισθητήρια σήματα από κάτω προς τα πάνω από κοντινούς νευρώνες (μέσω εισόδων στο κυτταρικό τους σώμα) όσο και σήματα πρόβλεψης από πάνω προς τα κάτω από πιο απομακρυσμένους νευρώνες (μέσω των κορυφαίων δενδριτών τους).
Στα ποντίκια παρουσιάστηκαν πολλές αλληλουχίες μπαλωμάτων Gabor, οι οποίες αποτελούνται από λωρίδες φωτός και σκούρου. Και τα τέσσερα μπαλώματα σε κάθε ακολουθία είχαν περίπου τον ίδιο προσανατολισμό και τα ποντίκια το περίμεναν. ("Πρέπει να ήταν βαρετό, απλά παρακολουθούσα αυτές τις σεκάνς", είπε ο Richards.) Στη συνέχεια οι ερευνητές εισήγαγαν ένα απροσδόκητο γεγονός:ένα τέταρτο έμπλαστρο Gabor περιστράφηκε τυχαία σε διαφορετικό προσανατολισμό. Τα ζώα αρχικά ήταν έκπληκτα, αλλά με την πάροδο του χρόνου, άρχισαν να περιμένουν και το στοιχείο της έκπληξης. Σε όλο το διάστημα, οι ερευνητές παρατήρησαν τη δραστηριότητα στον εγκέφαλο των ποντικών.
Αυτό που είδαν ήταν ότι πολλοί νευρώνες ανταποκρίθηκαν διαφορετικά σε αναμενόμενα και απροσδόκητα ερεθίσματα. Κρίσιμης σημασίας, αυτή η διαφορά ήταν έντονη στα τοπικά σήματα από κάτω προς τα πάνω την πρώτη ημέρα της δοκιμής, αλλά μειώθηκε τη δεύτερη και την τρίτη ημέρα. Στο πλαίσιο της προγνωστικής επεξεργασίας, αυτό υποδηλώνει ότι οι νεοσύστατες προσδοκίες από πάνω προς τα κάτω άρχισαν να αναστέλλουν τις αποκρίσεις στις εισερχόμενες αισθητηριακές πληροφορίες καθώς τα ερεθίσματα έγιναν λιγότερο εκπληκτικά.
Εν τω μεταξύ, το αντίθετο συνέβαινε στους κορυφαίους δενδρίτες:Η διαφορά στην απόκρισή τους σε απροσδόκητα ερεθίσματα αυξήθηκε με την πάροδο του χρόνου. Τα νευρωνικά κυκλώματα φάνηκε να μαθαίνουν να αναπαριστούν τις ιδιότητες των εκπληκτικών γεγονότων καλύτερα, να κάνουν καλύτερες προβλέψεις την επόμενη φορά.
«Αυτή η μελέτη παρέχει περαιτέρω υποστήριξη στην ιδέα ότι κάτι σαν προγνωστική μάθηση ή προγνωστική κωδικοποίηση συμβαίνει στον νεοφλοιό», είπε ο Richards.
Είναι αλήθεια ότι μεμονωμένες παρατηρήσεις της νευρωνικής δραστηριότητας ή της συμπεριφοράς ενός ζώου μπορούν μερικές φορές να εξηγηθούν από κάποιο άλλο μοντέλο του εγκεφάλου. Για παράδειγμα, οι φθίνουσες αποκρίσεις στους νευρώνες στην ίδια είσοδο, αντί να ερμηνεύονται ως η αναστολή των μονάδων σφάλματος, μπορεί απλώς να οφείλονται σε μια διαδικασία προσαρμογής. Αλλά στη συνέχεια "λαμβάνετε ολόκληρο τον τηλεφωνικό κατάλογο με εξηγήσεις για διαφορετικά φαινόμενα", είπε ο de Lange.
Η προγνωστική επεξεργασία, από την άλλη πλευρά, παρέχει ένα ενοποιητικό πλαίσιο για την εξήγηση πολλών φαινομένων με μια κίνηση, εξ ου και η γοητεία της ως θεωρία για το πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος. «Νομίζω ότι τα στοιχεία σε αυτό το σημείο είναι αρκετά πειστικά», είπε ο Richards. "Είμαι πρόθυμος να βάλω πολλά χρήματα σε αυτήν την αξίωση, στην πραγματικότητα."
