MIT: Ο εγκέφαλος επαναχρησιμοποιεί τα ίδια νευρωνικά κυκλώματα για διαφορετικές εργασίες

Νευροεπιστήμονες στο MIT ανακάλυψαν τις πρώτες ενδείξεις ότι ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί ευέλικτα, πολλαπλών χρήσεων νευρωνικά δομικά στοιχεία: συστάδες νευρώνων στον προμετωπιαίο φλοιό που μπορούν να εναλλάσσονται μεταξύ της αποθήκευσης αισθητηριακών πληροφοριών και σχεδίων δράσης στη βραχυπρόθεσμη μνήμη, αντί να βασίζονται σε εξειδικευμένα κυκλώματα για κάθε εργασία.

Γνωστικά Δομικά Στοιχεία

Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν τη Δευτέρα στο Nature Neuroscience, προέκυψαν από τη συνεργασία μεταξύ του Mriganka Sur από το Ινστιτούτο Picower για τη Μάθηση και τη Μνήμη του MIT και του Timothy Buschman από το Ινστιτούτο Νευροεπιστήμης του Princeton. Ο κύριος συγγραφέας Yuma Osako, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο MIT, περιέγραψε το βασικό εύρημα: «Ο εγκέφαλος δεν αφιερώνει μια ξεχωριστή ομάδα νευρώνων για κάθε τύπο πληροφορίας. Αντίθετα, χρησιμοποιεί τους ίδιους πληθυσμούς νευρώνων για να εκτελέσει τον ίδιο υπολογισμό σε διαφορετικά είδη πληροφοριών».news.mit+1

Η ομάδα εκπαίδευσε ποντίκια σε μια εργασία καθυστερημένης αντιστοίχισης με δείγμα, η οποία απαιτούσε από αυτά να προσδιορίσουν αν δύο τόνοι είχαν το ίδιο τονικό ύψος και στη συνέχεια να ανταποκριθούν ανάλογα. Καταγράφοντας ηλεκτρικές ώσεις από χιλιάδες νευρώνες κατά τη διάρκεια της εργασίας, οι ερευνητές εντόπισαν διακριτούς νευρωνικούς υποχώρους, δηλαδή συντονισμένα πρότυπα δραστηριότητας σε πολλούς νευρώνες, που σχετίζονται με την επεξεργασία των ερεθισμάτων και τη διατήρηση της μνήμης.bioengineer

Στον βρεγματικό φλοιό, οι νευρώνες φάνηκαν να είναι αποκλειστικά υπεύθυνοι για την αποθήκευση αισθητηριακών αναμνήσεων των τόνων. Ωστόσο, στον προμετωπιαίο φλοιό, μια συστάδα νευρώνων άλλαζε ρόλους ανάλογα με τη φάση της εργασίας: κατά τη διάρκεια της καθυστέρησης μεταξύ των τόνων, αποθήκευαν την αισθητηριακή μνήμη, και μετά τον δεύτερο τόνο, συγκρατούσαν το σχέδιο δράσης του ζώου.sflorg+1

Από τα Ποντίκια στις Μηχανές

Οι ερευνητές επαλήθευσαν τα ευρήματά τους χρησιμοποιώντας τεχνητά αναδρομικά νευρωνικά δίκτυα περιορισμένα από τα δεδομένα των ποντικιών. Όταν προσομοίωσαν την απενεργοποίηση συγκεκριμένων νευρωνικών συστάδων, η διακοπή της λειτουργίας μιας συστάδας παρεμπόδιζε έναν συγκεκριμένο υπολογισμό, αφήνοντας όμως τους άλλους ανέπαφους, γεγονός που συνάδει με την ύπαρξη εξειδικευμένων αλλά επαναχρησιμοποιήσιμων δομικών στοιχείων.bioengineer

Ο Buschman παρομοίασε αυτή τη διάταξη με «γνωστικά Lego» που μπορούν να συνδυαστούν με ευελιξία για τη δημιουργία νέων συμπεριφορών. «Αυτό σημαίνει ότι δεν χρειάζεται να κατασκευάζετε ένα εντελώς νέο κύκλωμα για τη συγκράτηση πληροφοριών στο μυαλό σας κάθε φορά που θέλετε να μάθετε μια νέα εργασία», δήλωσε.news.mit

Συνέπειες για τη Γνωστική Λειτουργία και την Τεχνητή Νοημοσύνη

Η ανακάλυψη προσφέρει ένα πλαίσιο για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα ζώα εκτελούν πολύπλοκες εργασίες υπό μεταβαλλόμενες συνθήκες με έναν περιορισμένο αριθμό νευρώνων. Εάν οι γνωστικές λειτουργίες δομούνται από επαναχρησιμοποιήσιμα στοιχεία, η εκμάθηση μιας νέας εργασίας μπορεί να περιλαμβάνει την τροποποίηση του τρόπου σύνδεσης αυτών των στοιχείων, αντί για την κατασκευή εντελώς νέων κυκλωμάτων. Οι ερευνητές σχεδιάζουν στη συνέχεια να μελετήσουν εάν η αναστολή αυτών των δομικών στοιχείων κατά τη διάρκεια διαφορετικών φάσεων της εργασίας επηρεάζει τη συμπεριφορά, κάτι που θα μπορούσε να επιβεβαιώσει τον αιτιώδη ρόλο τους στην ευέλικτη γνωστική λειτουργία.news.mit+1

Η εργασία χρηματοδοτήθηκε από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας των ΗΠΑ (NIH), το Ταμείο Καινοτομίας του Ινστιτούτου Picower και διάφορες διεθνείς υποτροφίες.sflorg