MIT: Hjernen gjenbruker de samme nevrale kretsene til ulike oppgaver

Nevroforskere ved MIT har oppdaget de første bevisene på at hjernen bruker fleksible, flerfunksjonelle nevrale moduler: klynger av nevroner i den prefrontale hjernebarken som kan veksle mellom å lagre sanseinformasjon og handlingsplaner i arbeidsminnet, i stedet for å belage seg på egne kretser for hver enkelt oppgave.

Kognitive byggeklosser

Funnene, som ble publisert mandag i Nature Neuroscience, er et resultat av et samarbeid mellom Mriganka Sur ved MITs Picower Institute for Learning and Memory og Timothy Buschman ved Princeton Neuroscience Institute. Hovedforfatter Yuma Osako, postdoktor ved MIT, beskriver kjernefunnet slik: «Hjernen setter ikke av en egen gruppe nevroner for hver type informasjon. I stedet bruker den de samme gruppene av nevroner til å utføre den samme beregningen på ulike typer informasjon.»news.mit+1

Forskerne trente opp mus til en oppgave med forsinket mønstersammenligning, der de måtte avgjøre om to toner hadde samme tonehøyde og deretter reagere på dette. Ved å registrere elektriske impulser fra tusenvis av nevroner under oppgaven, identifiserte forskerne distinkte nevrale underrom, koordinerte aktivitetsmønstre på tvers av mange nevroner, knyttet til prosessering av stimulans og opprettholdelse av minnet.bioengineer

I parietallappen (issebarken) virket nevronene å være dedikert til å lagre sanseminner av tonene. Men i den prefrontale hjernebarken byttet en klynge nevroner rolle avhengig av oppgavens fase: under forsinkelsen mellom tonene lagret de sanseminnet, og etter den andre tonen holdt de på dyrets handlingsplan.sflorg+1

Fra mus til maskiner

Forskerne bekreftet funnene sine ved hjelp av kunstige, rekurrente nevrale nettverk begrenset av musedataene. Da de simulerte deaktivering av spesifikke nevronklynger, forstyrret deaktiveringen av én klynge en bestemt beregning, mens de andre forble upåvirket, noe som samsvarer med spesialiserte, men gjenbrukbare moduler.bioengineer

Buschman sammenlignet systemet med «kognitiv Lego» som kan kombineres fleksibelt for å skape ny adferd. «Dette betyr at du ikke trenger å bygge en helt ny krets for å holde på informasjon hver gang du skal lære en ny oppgave», sa han.news.mit

Betydning for kognisjon og AI

Oppdagelsen gir et rammeverk for å forstå hvordan dyr utfører komplekse oppgaver under skiftende forhold med et begrenset antall nevroner. Hvis kognitive operasjoner er bygget opp av gjenbrukbare moduler, kan det å lære en ny oppgave handle om å endre hvordan modulene kobles sammen, snarere enn å bygge helt nye kretser. Forskerne planlegger nå å studere om hemming av disse modulene i ulike faser av oppgaven påvirker adferden, noe som vil kunne bekrefte deres årsakssammenheng med fleksibel kognisjon.news.mit+1

Arbeidet ble finansiert av National Institutes of Health, Picower Institute Innovation Fund og flere internasjonale stipend.sflorg