MIT: Hjärnan återanvänder samma nervkretsar för olika uppgifter

Neuroforskare vid MIT har upptäckt de första bevisen på att hjärnan använder flexibla, mångsidiga neurala moduler: kluster av neuroner i prefrontala cortex som kan växla mellan att lagra sensorisk information och handlingsplaner i arbetsminnet, i stället för att förlita sig på dedikerade kretsar för varje enskild uppgift.

Kognitiva byggstenar

Resultaten, som publicerades på måndagen i Nature Neuroscience, är frukten av ett samarbete mellan Mriganka Sur vid MIT:s Picower Institute for Learning and Memory och Timothy Buschman vid Princeton Neuroscience Institute. Huvudförfattaren Yuma Osako, postdoktor vid MIT, beskriver det centrala fyndet: "Hjärnan avsätter inte en separat grupp neuroner för varje typ av information. I stället använder den samma populationer av neuroner för att utföra samma beräkning på olika typer av information."news.mit+1

Forskarlaget tränade möss i ett fördröjt matchningstest där de skulle avgöra om två toner hade samma tonhöjd och sedan reagera därefter. Genom att registrera elektriska impulser från tusentals neuroner under testet identifierade forskarna distinkta neurala delrymder (koordinerade aktivitetsmönster över många neuroner) kopplade till bearbetning av stimulans och upprätthållande av minne.bioengineer

I parietalkortex verkade neuronerna vara dedikerade till att lagra sensoriska minnen av tonerna. Men i prefrontala cortex växlade ett kluster av neuroner roll beroende på uppgiftens fas: under fördröjningen mellan tonerna lagrade de sensoriska minnen, och efter den andra tonen höll de djurets handlingsplan.sflorg+1

Från möss till maskiner

Forskarna validerade sina resultat med hjälp av artificiella rekurrenta neurala nätverk som begränsades av data från mössen. När de simulerade dämpning av specifika neuronkluster störde detta en viss beräkning medan andra förblev intakta, vilket stämmer överens med specialiserade men återanvändbara moduler.bioengineer

Buschman liknade upplägget vid "kognitivt Lego" som flexibelt kan kombineras för att skapa nya beteenden. "Det innebär att man inte behöver bygga en helt ny krets för att hålla information i minnet varje gång man vill lära sig en ny uppgift", säger han.news.mit

Implikationer för kognition och AI

Upptäckten ger ett ramverk för att förstå hur djur utför komplexa uppgifter under föränderliga förhållanden med ett begränsat antal neuroner. Om kognitiva processer byggs upp av återanvändbara moduler kan inlärning av en ny uppgift handla om att modifiera hur modulerna kopplas samman, snarare än att bygga helt nya kretsar. Forskarna planerar härnäst att studera om hämning av dessa moduler under olika faser av uppgiften påverkar beteendet, vilket skulle kunna bekräfta deras kausala roll i flexibel kognition.news.mit+1

Arbetet finansierades av National Institutes of Health, Picower Institute Innovation Fund och flera internationella stipendier.sflorg