Naukowcy z Uniwersytet Kalifornijski sugerują, że ich odkrycia mogą poprawiać pamięć, funkcje poznawcze i sztuczna inteligencja.
Przełomowe badanie przeprowadzone przez UCLA Health zaczęło odkrywać jedną z podstawowych tajemnic neuronauki – w jaki sposób ludzki mózg koduje i nadaje sens przepływowi czasu i doświadczeń.
Badanie opublikowane w czasopiśmie Naturabezpośrednio zarejestrowali aktywność poszczególnych neuronów u ludzi i odkryli określone typy komórek mózgowych uruchamianych w sposób, który w większości odzwierciedlał porządek i strukturę doświadczenia danej osoby. Odkryli, że mózg zachowuje te unikalne wzorce odpalania po zakończeniu doświadczenia i może je szybko odtworzyć w stanie spoczynku.
Co więcej, mózg jest również w stanie wykorzystać te wyuczone wzorce, aby przygotować się na przyszłe bodźce wynikające z tego doświadczenia. Odkrycia te dostarczają pierwszych dowodów empirycznych dotyczących tego, jak określone komórki mózgowe integrują informacje „co” i „kiedy” w celu wyodrębnienia i zachowania reprezentacji doświadczeń w czasie.
Implikacje dla neuroprotetyki i sztucznej inteligencji
Starszy autor badania, dr Itzhak Fried, powiedział, że wyniki mogą posłużyć do opracowania urządzeń neuroprotetycznych poprawiających pamięć i inne funkcje poznawcze, a także mieć wpływ na zrozumienie procesów poznawczych w ludzkim mózgu przez sztuczną inteligencję.
„Rozpoznawanie wzorców na podstawie doświadczeń na przestrzeni czasu ma kluczowe znaczenie dla ludzkiego mózgu, aby tworzyć pamięć, przewidywać potencjalne przyszłe wyniki i kierować zachowaniami” – powiedział Fried, dyrektor chirurgii padaczki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles i profesor neurochirurgii, psychiatrii i nauk biobehawioralnych w David Geffen School of Medicine na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles. „Ale sposób, w jaki ten proces przebiega w mózgu na poziomie komórkowym, pozostawał nieznany – aż do teraz”.
W poprzednich badaniach, w tym prowadzonych przez dr Frieda, wykorzystywano nagrania mózgu i neuroobrazowanie, aby zrozumieć, w jaki sposób mózg przetwarza nawigację przestrzenną, pokazując na modelach zwierzęcych i ludzkich, że dwa obszary mózgu – hipokamp i kora śródwęchowa – odgrywają kluczową rolę. Obydwa obszary mózgu, oba ważne w funkcjach pamięci, współpracują ze sobą, tworząc „mapę poznawczą”. Neurony hipokampa działają jak „komórki miejsca”, które pokazują, kiedy zwierzę znajduje się w określonym miejscu, podobnie jak „X” na mapie, podczas gdy neurony śródwęchowe działają jak „komórki siatki”, dostarczając miarę odległości przestrzennej. Komórki te znalezione najpierw u gryzoni zostały później znalezione u ludzi przez grupę Frieda.
Dalsze badania wykazały, że podobne działania neuronowe odpowiadają za reprezentowanie doświadczeń nieprzestrzennych, takich jak czas, częstotliwość dźwięku i charakterystyka obiektów. Przełomowym odkryciem Frieda i jego współpracowników było odkrycie „komórek koncepcyjnych” w ludzkim hipokampie i korze śródwęchowej, które reagują na określone osoby, miejsca lub odrębne obiekty i wydają się mieć fundamentalne znaczenie dla naszej zdolności zapamiętywania.
Badanie czasu i doświadczenia w mózgu
Aby zbadać przetwarzanie zdarzeń w mózgu w czasie, do badania na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles zrekrutowano 17 uczestników chorych na nieuleczalną padaczkę, którym wcześniej wszczepiono do mózgu elektrody głębinowe w celu leczenia klinicznego.
Naukowcy rejestrowali aktywność neuronową uczestników poddawanych złożonej procedurze obejmującej zadania behawioralne, rozpoznawanie wzorców i sekwencjonowanie obrazów.
Uczestnicy najpierw przeszli wstępną sekcję przesiewową, podczas której przez około 40 minut wielokrotnie pokazywano im na komputerze około 120 zdjęć ludzi, zwierząt, przedmiotów i punktów orientacyjnych. Uczestnicy zostali poinstruowani, aby wykonać różne zadania, takie jak ustalenie, czy obraz przedstawia osobę, czy nie. Zdjęcia przedstawiające znanych aktorów, muzyków i miejsca zostały wybrane częściowo w oparciu o preferencje każdego uczestnika.
Następnie uczestnicy przeszli trójfazowy eksperyment, w którym wykonywali zadania behawioralne w odpowiedzi na obrazy, które były dowolnie wyświetlane w różnych miejscach wykresu w kształcie piramidy. Dla każdego uczestnika wybrano sześć zdjęć.
W pierwszej fazie obrazy były wyświetlane w pseudolosowej kolejności. W kolejnej fazie kolejność obrazów była określona lokalizacją na wykresie piramidy. Ostatnia faza przebiegała identycznie jak pierwsza. Podczas oglądania tych obrazów uczestnicy zostali poproszeni o wykonanie różnych zadań behawioralnych niezwiązanych z położeniem obrazów na wykresie piramidy. Zadania te polegały na ustaleniu, czy obraz przedstawia mężczyznę, czy kobietę lub czy dany obraz był lustrzanym odbiciem w porównaniu z fazą poprzednią.
Kluczowe odkrycia w aktywności neuronowej
W swoich analizach Fried i jego współpracownicy odkryli, że neurony hipokampowo-śródwęchowe stopniowo zaczęły modyfikować i ściśle dopasowywać swoją aktywność do sekwencji obrazów na wykresach piramidowych. Według Frieda wzorce te powstały naturalnie i bez bezpośrednich instrukcji dla uczestników. Dodatkowo wzorce neuronowe odzwierciedlały prawdopodobieństwo nadchodzących bodźców i zachowywały zakodowane wzorce nawet po ukończeniu zadania.
Głównym autorem badania był Paweł Tacikowski wraz ze współautorami Guldamlą Kalendar i Davide Ciliberti.
„To badanie pokazuje nam po raz pierwszy, jak mózg wykorzystuje analogiczne mechanizmy do reprezentowania pozornie bardzo różnych typów informacji: przestrzeni i czasu” – powiedział Fried. „Wykazaliśmy na poziomie neuronalnym, w jaki sposób reprezentacje trajektorii obiektów w czasie są uwzględniane przez ludzki układ hipokampowo-śródwęchowy”.
Odniesienie: „Ludzkie neurony hipokampowe i śródwęchowe kodują czasową strukturę doświadczenia”, autor: Paweł Tacikowski, Güldamla Kalender, Davide Ciliberti i Itzhak Fried, 25 września 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07973-1
