Jak mozek rozlišuje mezi nejednoznačnými hypotézami

Při navigaci v místech, která známe jen částečně, se často spoléháme na jedinečné orientační body. Pokud však hledáme kancelář v cihlové budově a na naší trase je mnoho cihlových budov, můžeme použít pravidlo, například hledání druhé budovy v ulici, místo toho, abychom se snažili rozlišit samotnou budovu.

Dokud tato nejednoznačnost není vyřešena, musíme mít na paměti, že existuje několik možností (nebo hypotéz) o tom, kde se nacházíme ve vztahu k našemu cíli. V studii na myších vědci z MIT nyní zjistili, že tyto hypotézy jsou v mozku explicitně reprezentovány odlišnými neuronálními aktivitními vzory.

Toto je poprvé, co byly v mozku pozorovány neuronální aktivitní vzory, které kódují simultánní hypotézy. Výzkumníci zjistili, že tyto reprezentace, které byly pozorovány v retrospleniální kůře mozku (RSC), nejen kódují hypotézy, ale mohou být také zvířaty použity k výběru správné cesty.

„Pokud víme, nikdo v komplexním úkolu uvažování neukázal, že existuje oblast v asociační kůře, která si udržuje dvě hypotézy v hlavě a poté použije jednu z těchto hypotéz, jakmile získá více informací, k samotnému dokončení úkolu,“ říká Mark Harnett, docent neurověd a kognitivních věd, člen MITova McGovern Institute for Brain Research a hlavní autor studie.

Jakob Voigts, PhD '17, bývalý postdoktorand v Harnettově laboratoři a nyní vedoucí skupiny v Howard Hughes Medical Institute Janelia Research Campus, je hlavním autorem článku, který vyšel v časopise Nature Neuroscience.

Nejednoznačné orientační body

RSC přijímá vstupy z vizuální kůry, hipokampální formace a předního thalamu, které integruje, aby napomohla navigaci.

V studii z roku 2020 Harnettova laboratoř zjistila, že RSC používá jak vizuální, tak prostorové informace ke kódování orientačních bodů používaných k navigaci. V této studii výzkumníci ukázali, že neurony v RSC myší integrují vizuální informace o okolním prostředí s prostorovou zpětnou vazbou o vlastní poloze myši na dráze, což jim umožňuje naučit se, kde najít odměnu na základě orientačních bodů, které viděli.

Ve své nové studii se výzkumníci chtěli hlouběji ponořit do toho, jak RSC využívá prostorové informace a situační kontext k vedení rozhodování o navigaci. K tomu výzkumníci navrhli mnohem složitější navigační úkol, než se obvykle používá ve studiích na myších. Zřídili velkou kulatou arénu se 16 malými otvory nebo porty podél bočních stěn. Jeden z těchto otvorů by dal myším odměnu, když si jimi strčili nos.

V první sérii experimentů výzkumníci vycvičili myši, aby šly k různým portům s odměnou označeným světelnými tečkami na podlaze, které byly viditelné pouze tehdy, když se k nim myši přiblížily. Jakmile se myši naučily provádět tento relativně jednoduchý úkol, výzkumníci přidali druhou tečku. Obě tečky byly vždy ve stejné vzdálenosti od sebe a od středu arény. Nyní však musely myši jít k portu u proti směru hodinových ručiček, aby získaly odměnu. Protože tečky byly identické a staly se viditelnými pouze z blízka, myši nikdy nemohly vidět obě tečky současně a nemohly okamžitě určit, která tečka je která.

Aby tento úkol vyřešily, myši si musely pamatovat, kde očekávají, že se tečka objeví, integrovat svou vlastní polohu těla, směr, kterým se pohybovaly, a cestu, kterou podnikly, aby zjistily, která orientační značka je která. Měřením aktivity RSC, když se myši blížily k nejednoznačným orientačním bodům, mohli výzkumníci určit, zda RSC kóduje hypotézy o prostorové poloze. Úkol byl pečlivě navržen tak, aby vyžadoval, aby myši používaly vizuální orientační body k získání odměn, místo jiných strategií, jako jsou pachové stopy nebo mrtvý účet.

„Důležité na chování v tomto případě je, že myši si něco musí pamatovat a pak to použít k interpretaci budoucích vstupů,“ říká Voigts, který na této studii pracoval jako postdoktorand v Harnettově laboratoři. „Nejde jen o zapamatování si něčeho, ale o zapamatování si ho takovým způsobem, abyste na to mohli reagovat.“

Výzkumníci zjistili, že když myši shromažďovaly informace o tom, která tečka by mohla být která, populace neuronů RSC zobrazovaly odlišné aktivitní vzory pro neúplné informace. Každý z těchto vzorů zdánlivě odpovídá hypotéze o tom, kde si myš myslela, že je ve vztahu k odměně.

Když se myši přiblížily natolik, aby zjistily, která tečka označovala port s odměnou, tyto vzory se zhroutily do vzoru, který reprezentuje správnou hypotézu. Zjištění naznačují, že tyto vzory nejen pasivně ukládají hypotézy, ale mohou být také použity k výpočtu, jak se dostat na správné místo, říkají výzkumníci.

„Ukazujeme, že RSC má požadované informace k použití této krátkodobé paměti k rozlišení nejednoznačných orientačních bodů. A ukazujeme, že tento typ hypotézy je kódován a zpracováván způsobem, který umožňuje RSC ji použít k řešení výpočtu,“ říká Voigts.

Propojené neurony

Při analýze svých počátečních výsledků se Harnett a Voigts poradili s profesorkou MIT Ily Fiete, která před asi 10 lety provedla studii pomocí umělé neuronové sítě k provedení podobného navigačního úkolu.

Tato studie, dříve publikovaná na bioRxiv, ukázala, že neuronová síť zobrazovala aktivitní vzory, které byly koncepčně podobné těm, které byly pozorovány ve studiích na zvířatech prováděných Harnettovou laboratoří. Neurony umělé neuronové sítě nakonec vytvořily vysoce propojené nízkorozměrné sítě, podobně jako neurony RSC.

„Toto propojení se zdá, způsoby, kterým stále nerozumíme, být klíčové pro to, jak tyto dynamiky vznikají a jak jsou řízeny. A je to klíčový rys toho, jak RSC drží tyto dvě hypotézy současně v paměti,“ říká Harnett.

Ve své laboratoři v Janelii nyní Voigts plánuje zkoumat, jak jsou zapojeny další oblasti mozku zapojené do navigace, jako je prefrontální kůra, když myši prozkoumávají a hledají potravu přirozenějším způsobem, aniž by byly trénovány na specifický úkol.

„Zkoumáme, zda existují obecné principy, kterými se úkoly učí,“ říká Voigts. „V neurovědě máme mnoho znalostí o tom, jak mozek funguje, jakmile se zvíře naučilo úkol, ale na srovnání víme extrémně málo o tom, jak se myši učí úkoly nebo co se rozhodnou naučit, když jim je dána svoboda chovat se přirozeně.“

Výzkum byl financován částečně Národními instituty zdraví, stipendiem Simons Center for the Social Brain na MIT, Národním institutem pro obecné lékařské vědy a Centrem pro mozky, mysli a stroje na MIT, financovaným Národní vědeckou nadací.