Nagrania z tysięcy neuronów ujawniają, w jaki sposób mózg człowieka abstrakcyjnie reprezentuje akty rozumowania.
Badacze zidentyfikowali, w jaki sposób mózg tworzy mapy poznawcze podczas wnioskowania, analizując neurony u pacjentów z padaczką. Hipokamp, tradycyjnie powiązany z mapowaniem przestrzeni fizycznej, również strukturyzuje procesy poznawcze. Badanie to podkreśla, jak uczenie się przez doświadczenie i werbalne wpływa na reprezentacje neuronowe, oferując wgląd w potencjalne metody leczenia neurologicznego.
Odkrywanie neuronowych mechanizmów wnioskowania
Trzeba rozumu, aby wywnioskować, jak dwie rzeczy na świecie są ze sobą powiązane, czy jest to sposób, w jaki zła pogoda łączy się z opóźnieniami w dojazdach, czy też to, jak warunki środowiskowe prowadzą do ewolucji gatunek. Nowe badanie oparte na nagraniach w mózgach ludzi dostarczyło przełomowych danych, które badacze wykorzystali teraz do ujawnienia z większą przejrzystością niż kiedykolwiek neuronowych wcieleń wnioskowania.
„Zaczynamy rozumieć, w jaki sposób mózg się uczy i jak wydobywamy wiedzę z tego, czego doświadczamy” – powiedział dr Ueli Rutishauser, współautor badania i profesor neurologii, neurochirurgii i nauk biomedycznych w Cedars-Sinai Medical Centrum.
Badanie przeprowadzone w ramach wieloinstytucjonalnego konsorcjum finansowanego przez UMK Narodowe Instytuty ZdrowiaInicjatywa The Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies Initiative, w skrócie The Brain Initiative, została opublikowana w internecie dzisiaj (14 sierpnia) w Natura.
Zapis neuronowy podczas zadań wnioskowania
Wykorzystując nagrania elektryczne ponad 3000 neuronów 17 ochotników chorych na padaczkę, których w szpitalu poddano inwazyjnemu monitorowaniu w celu zlokalizowania źródeł napadów, naukowcy zgromadzili „wyjątkowo odkrywczy zbiór danych, który pozwala nam po raz pierwszy monitorować, jak komórki mózgowe reprezentują proces uczenia się kluczowy dla wnioskowania” – powiedział dr Stefano Fusi, główny badacz w instytucie Zuckerman Mind Brain Behaviour Institute w Columbii i drugi współautor artykułu.
Jak badacze rejestrowali na podstawie neuronów, rzucili uczestnikom proste zadanie polegające na wnioskowaniu. W tym zadaniu badani metodą prób i błędów odkrywali prawidłowe, nagrodzone pieniędzmi skojarzenia między obrazami, takimi jak zdjęcia samochodu lub kawałka owocu, a naciśnięciem lewego lub prawego przycisku. Gdy uczestnicy poznali te skojarzenia z zestawem obrazów, badacze obracali się, a następnie wybierali, który przycisk był prawidłowy dla każdego obrazu.
Zmiany poznawcze podczas uczenia się i wnioskowania
Początkowo ochotnicy dokonywali błędnych wyborów, nie zdając sobie sprawy, że wyuczone wcześniej skojarzenia uległy zmianie. Jednak te błędy umożliwiły ochotnikom szybkie wywnioskowanie, że nowa zasada dotycząca przycisku obrazowego zaczęła działać, i mogli dalej wnioskować, że wszystkie nowe zasady dotyczące przycisku obrazowego uległy zmianie, nawet te, których jeszcze nie doświadczyli. Naukowcy porównują to eksperymentalne zadanie do wniosków z życia wziętych, takich, jakie często muszą wyciągać zagraniczni podróżnicy.
Neuronowa reprezentacja przejść stanów psychicznych
„Jeśli mieszkasz zarówno w Nowym Jorku, jak i w Londynie i lecisz do Wielkiej Brytanii, wiesz, że chcąc przejść przez ulicę, musisz dobrze patrzeć. Przekształciłeś się w inny stan psychiczny, który odzwierciedla zasady ruchu drogowego, których nauczyłeś się mieszkając w Londynie” – stwierdziła dr Fusi, także profesor neurologii w Vagelos College of Physicians and Surgeons w Kolumbii oraz członek Centrum Teoretycznej Neuronauki w Columbii .
„Nawet jeśli odwiedzasz miejsca w Wielkiej Brytanii, w których nigdy nie byłeś, np. wieś w Walii, wnioskujesz, że nowe zasady nadal tam obowiązują” – dodał. „Podczas przechodzenia przez ulicę nadal musisz patrzeć w prawo, a nie w lewo”.
„Ta praca wyjaśnia neuronalne podstawy wiedzy pojęciowej, która jest niezbędna do rozumowania, wyciągania wniosków, planowania, a nawet regulowania emocji” – powiedział dr Daniel Salzman, współautor książki Natura artykuł, główny badacz w Instytucie Zuckermana oraz profesor psychiatrii i neurologii w Vagelos College of Physicians and Surgeons w Kolumbii.
Wielkowymiarowe kształty geometryczne w aktywności mózgu
Ale w jaki sposób tego rodzaju myślenie fizycznie wyraża się w aktywności neuronów? Korzystając z narzędzi matematycznych udoskonalonych przez dr Fusi w celu integracji nagrań z tysięcy neuronów, badacze przekształcili aktywność mózgu ochotników w reprezentacje geometryczne – to znaczy w kształty – aczkolwiek zajmujące tysiące wymiarów zamiast znanych nam trzech wymiarów, które rutynowo wizualizujemy .
„Są to wielowymiarowe kształty geometryczne, których nie możemy sobie wyobrazić ani zwizualizować na monitorze komputera” – stwierdziła dr Fusi. „Możemy jednak użyć technik matematycznych, aby wizualizować znacznie uproszczone wersje tych zjawisk w 3D”.
Kiedy badacze porównali kształty aktywności mózgu w przypadkach, gdy badani wyciągali udane wnioski z tymi, w których wnioski były nieudane, ukazały się wyraźne różnice.
„W niektórych populacjach neuronów podczas uczenia się zaobserwowaliśmy przejścia od nieuporządkowanych reprezentacji do pięknych struktur geometrycznych, które były skorelowane ze zdolnością do wnioskowania” – mówi dr Fusi.
Łączenie aktywności hipokampa z mapowaniem poznawczym
Co więcej, badacze zaobserwowali te struktury jedynie w nagraniach z hipokampa, a nie w innych monitorowanych obszarach mózgu, takich jak ciało migdałowate i obszary korowe płata czołowego. Naukowcy twierdzą, że to zaskakujące odkrycie, ponieważ hipokamp od dawna jest postrzegany jako miejsce mózgu, w którym ucieleśnia się mapy neuronowe przestrzeni fizycznych. Nowe odkrycia pokazują, że może również konstruować mapy poznawcze powiązane z funkcjami mózgu, takimi jak wyciąganie wniosków i uczenie się.
Wpływ instrukcji werbalnych na reprezentacje neuronowe
Dr Rutishauser twierdzi, że kolejnym zaskakującym wynikiem badania jest to, że ochotnicy, którzy uczą się zasad skojarzeń między obrazami i przyciskami jedynie poprzez instrukcje werbalne, a nie na podstawie doświadczenia metodą prób i błędów, mimo to tworzą te same „pięknie ustrukturyzowane reprezentacje neuronowe w hipokampie.” To ważna obserwacja, stwierdził, ponieważ choć ludzie często uczą się od siebie nawzajem poprzez wymianę werbalną, niewiele wiadomo na temat tego, jak informacje werbalne zmieniają reprezentacje neuronowe.
„Instrukcje ustne pozwalają nam budować wiedzę na temat rzeczy, których nigdy nie doświadczyliśmy” – dodał dr Rutishauser. „Nasza praca pokazuje obecnie, że instrukcje werbalne dają w rezultacie reprezentacje neuronowe o bardzo podobnej strukturze w porównaniu z reprezentacjami wynikającymi z uczenia się przez doświadczenie”.
Znaczenie pacjentów z padaczką w badaniach mózgu
Naukowcy podkreślają, że żadne z tych odkryć nie byłoby możliwe bez współpracy i dobrowolnego udziału pacjentów chorych na padaczkę lekooporną, którzy przebywali w szpitalu po operacji. Elektrody do gromadzenia danych neuronowych zostały tymczasowo wszczepione przez lekarzy pacjentów wyłącznie w celu zlokalizowania źródła napadów drgawkowych każdej osoby, a ostatecznym celem było wykorzystanie tych informacji do dalszego leczenia chirurgicznego lub neuromodulacyjnego.
„Te osoby dały nam cenną okazję, aby dowiedzieć się czegoś nowego o działaniu wszystkich naszych mózgów” – powiedziała dr Rutishauser.
Wkład i przyszłe implikacje
Współpracownik dr Taufik Valiante z Instytutu Badawczego Krembil i Oddziału Neurochirurgii na Uniwersytecie w Toronto wniósł wkład w to badanie poprzez włączenie pacjentów. Doktorant Hristos Courellis i doktorant Juri Minxha z Cedar-Sinai Medical Center i California Institute of Technology przeprowadzili większość gromadzenia i analizy danych w ramach badania.
„To badanie dostarcza nowych informacji na temat tego, w jaki sposób nasze mózgi pozwalają nam uczyć się i wykonywać zadania w sposób elastyczny oraz w odpowiedzi na zmieniające się warunki i doświadczenia” – powiedziała dr Merav Sabri, dyrektor programowy inicjatywy BRAIN. „Te spostrzeżenia opierają się na wiedzy, która pewnego dnia może doprowadzić nas do opracowania metod leczenia schorzeń neurologicznych i psychiatrycznych, które wiążą się z deficytami pamięci i podejmowania decyzji”.
Odniesienie: „Abstrakcyjne reprezentacje pojawiają się w ludzkich neuronach hipokampa podczas zachowań wnioskowania” 14 sierpnia 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07799-x
Pełna lista autorów obejmuje Hristosa S. Courellisa, Juri Minxha, Araceli R. Cardenas, Daniela L. Kimmela, Chrystal M. Reed, Taufik A. Valiante, C. Daniel Salzman, Adam N. Mamelak, Stefano Fusi i Ueli Rutishauser.
