Alexander Vitkovski (alev_biz) wrote,
Alexander Vitkovski
alev_biz

Categories:

Как нейроны жонглируют вариантами возможного будущего

Рассматривая несколько вариантов действий, головной мозг может репрезентировать их как быстро чередующиеся сигналы, которые соответствуют циклам, характерным для определённых мозговых волн. Данный процесс сводит разные сценарии в единый пакет, но при этом сохраняет присущие им особенности.

Как нейроны жонглируют вариантами возможного будущего

Решения, решения. Все мы постоянно вынуждены делать сознательный или бессознательный выбор. Не только тогда, когда размышляем о том, что надеть, что съесть или как провести выходные, но и тогда, когда решаем, какой рукой следует взять карандаш или стоит ли по-другому распределить свой вес, сидя на стуле. Даже при тривиальном выборе наш мозг перебирает кучу вариантов «Что если?» и взвешивает их. Кажется, что некоторые действия, — например, отскок в сторону, чтобы не оказаться под колёсами автомобиля, — мы осуществляем автоматически, однако и в этих случаях наш мозг успевает очень быстро экстраполировать на возникшую ситуацию прошлый опыт, чтобы сделать прогнозы и определить наше поведение.



В январе этого года в Cell опубликована статья группы калифорнийских исследователей, изучавших работу крысиного головного мозга в критический момент принятия решения. Учёные наблюдали, как в этот момент нейроны стремительно анализируют доступные для крыс конкурирующие варианты действий. Не исключено, что описанный в статье механизм лежит в основе не только способности принимать решения на основе выбора возможных действий, но и способности животных предвидеть появление более абстрактных возможностей, которая сродни воображению.

Группу учёных, опубликовавших статью, возглавляет нейробиолог Лорен Франк (Loren Frank) из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (University of California, San Francisco, UCSF). Эта команда исследовала клеточную активность в гиппокампе — области головного мозга, которая имеет форму морского конька и, как известно, играет важную роль в навигации, а также в хранении воспоминаний и извлечении их из памяти. Особое внимание учёные уделили клеткам места — нейронам по прозвищу «GPS мозга», ментально отображающим местоположение животного при его перемещениях в пространстве.

Было показано, что, когда животное осуществляет локомоции, клетки места проворно «выстреливают» определёнными очередями. Эта активность отражает пространство, находящееся в диапазоне движения: от того, что непосредственно сзади, до того, что прямо перед животным. (Согласно полученным данным, ментальный охват переднего пространства несёт и информацию о расположении целей или вознаграждений). Эти паттерны нейронной активности, называемые тета-ритмами, повторяются у крыс примерно восемь раз в секунду и репрезентируют постоянно обновляемую виртуальную траекторию перемещения животных.

И вот теперь Франку и его команде удалось выяснить, что, когда животное собирается действовать, нейронная активность, связанная с тета-ритмами, носится то взад, то вперёд по всевозможным будущим путям — не только для предсказания того, что должно произойти, но и для своеобразной скоростной, снующей туда и обратно, дегустации блюд из буфета предстоящих вариантов действий.

Чередование сценариев в мозговых волнах


Исследователи обучили крыс выбирать в Ш-образном лабиринте альтернативные маршруты и записывали с помощью электродов активность клеток места. Попадая в центральный изгиб лабиринта, животные поворачивали либо налево, либо направо. Учёные заметили, что, стоило грызунам оказаться в точке выбора направления дальнейшего движения, как их клетки места начинали вести себя несколько странно.

Крысиный головной мозг имеет те клетки места, которые «выстреливают» в центре лабиринта непосредственно перед поворотом налево (и в самый его момент), и другие — те, что «выстреливают» перед поворотом направо (и в самый его момент). Казалось логичным, что у крысы, оказавшейся в точке изгиба, оба набора клеток иногда могут «выстреливать» вместе: в данном пункте лабиринта совместная активность всех этих клеток отражала бы ситуацию выбора, в которую попало животное. Однако этого никогда не наблюдалось.

«Не исключено, что описанный в статье механизм лежит в основе не только способности принимать решения на основе выбора возможных действий, но и способности животных предвидеть появление более абстрактных возможностей, которая сродни воображению».

Взамен наборы клеток «выстреливали» по очереди. Было похоже на то, что перед тем, как животное решило, куда идти, его гиппокамп подвергал анализу как «левый», так и «правый» вариант будущих локаций, ментально чередуя их и при этом никогда не давая им соединиться.

«Головной мозг усердно следил за тем, чтобы не смешивать эти вещи, — подчёркивает Франк. — Почему — было неясно».

Схожие виды ментальных движений вперёд-назад по потенциальному будущему, происходящие в клетках места животных, вынужденных перемещаться по лабиринтам, уже были описаны в работе Дэвида Редиша (David Redish), нейробиолога из Университета Миннесоты (University of Minnesota), и ныне покойного Адама Джонсона (Adam Johnson). Однако эти ментальные движения казались связанными с более обдуманными действиями. К тому же, Редиш и Джонсон не выясняли, как возникают «левые» или «правые» репрезентации — случайно или систематически.

Напротив, команда UCSF установила, что обнаруженные ею чередования всегда точно согласованы с другими циклами тета-ритма. В течение одного цикла гиппокамп генерировал образ поворота налево, а затем переключался на противоположный образ, осуществляя его создание в ходе другого, следующего цикла. Эти сценарии не всегда чередовались одинаково на протяжении всего эксперимента — иногда в течение нескольких циклов сохранялся один и тот же сценарий, — но структура сигналов оставалась неизменной. По-видимому, 125-миллисекундные последовательности так разделяли различные гипотезы мозга о будущем, что в результате получалась непрерывная и последовательная общая структура.

Как нейроны жонглируют вариантами возможного будущего
Альтернативные варианты будущего в циклическом сигнале

«Что удивляет, так это упорядоченность. Это совершенно невероятно, — говорит Дьёрдь Бужаки (György Buzsáki), невролог из Медицинской школы Нью-Йоркского университета (New York University School of Medicine), не принимавший участия в данном исследовании. — Это отношения «один к одному»: один цикл — левый, следующий — правый, затем — левый, следующий — правый». По мнению Бужаки, выгода от этой строгой структурированности может состоять в том, что каждый сценарий «Что если?» проверяется сбалансированным, упорядоченным образом.

Когда Франк и его коллеги изучили нейронную активность во время тета-ритмов более тщательно, они обнаружили, что первая часть каждого цикла соответствует текущему местоположению крысы, а вторая часть репрезентирует левую или правую альтернативу. Весь паттерн выглядит примерно так: текущее местоположение, возможность идти налево, текущее местоположение, возможность идти направо, и так далее.

Поддержание доступности всех вариантов действий


Эксперименты с крысами выявили и другие интригующие паттерны. Например, исследователи обнаружили, что во время тета-ритмов происходят не одни лишь переключения с левой возможности на правую и наоборот. По-видимому, иногда отдельные циклы включают возможность изменения маршрута на обратный. Это открытие озадачило учёных, ибо у крыс, вроде бы, не было необходимости рассматривать данный вариант.

По мнению Кеннета Кея (Kenneth Kay), доктора наук из Колумбийского университета (Columbia University) и первого автора статьи в Cell, отмеченный факт противоречит представлению о том, что гиппокамп всего лишь предсказывает, с чем предстоит столкнуться животному. «Это — свидетельство того, что циклическая структура, возможно, является универсальным способом связывания различных вещей, которые кодирует гиппокамп».

В данном случае, считает Франк, «дело выглядит так, будто в развёрнутом виде представлено следующее размышление: „Что произошло бы, пойди я другим путём, и не стоит ли повернуть назад?“»

Поэтому возникает впечатление, что тета-ритм преследует более общую цель, когда нужно кодировать гипотетические предположения. У каждого цикла, говорит Марк Брандон (Mark Brandon), невролог из Университета Макгилла (McGill University), не принимавший участия в исследовании, «своё особое содержание». «Это может быть задача „повернуть налево“ или „повернуть направо“. Но, если подойти к делу более широко, можно говорить о том, что в каждой 125-миллисекундной порции тета-колебаний закодировано какое-то конкретное воспоминание или произошедшее конкретное событие».

Редиш, который не участвовал в данном исследовании, согласен с Брандоном. «Это не просто репрезентация пространства, а в некотором роде структура эпизода, — утверждает он. — Это поистине размышление об имеющихся вариантах действий».

Возможно, говорят исследователи, тета-ритм является фундаментальной вычислительной единицей, которая используется гиппокампом для рассмотрения таких абстрактных вариантов. В большинстве случаев содержание цикла, скорее всего, основано на опыте, что позволяет животному быстро и гибко реагировать на изменяющуюся среду — скажем, при бегстве от хищника. Однако, отмечает Кей, «наша работа указывает также на то, что циклы не обязательно должны помогать нам в будущем каким-либо непосредственным или совершенно очевидным образом. Они могут иметь более широкое значение: участвовать в творческих актах, в порождающих что-либо процессах или работе воображения».

Эта возможность требует видеть в гиппокампе не столько область головного мозга, которая посредством своих функций, связанных с памятью, помогает принимать решения, сколько структуру научения, порождающую образы воображаемого будущего и осуществляющую их отбор, моделируя тем самым варианты действий, чтобы другие области мозга могли их оценивать и использовать. Выяснить, как всё это работает, по-видимому, можно лишь в том случае, если рассматривать в качестве отправной точки тета-ритмы.

Эти порции времени, длина которых — доли секунды, возможно, имеют исключительно важное значение и для осмысления других когнитивных процессов и неврологических состояний. Часто исследователи нервных процессов учитывают лишь среднюю клеточную активность, наблюдавшуюся в ходе эксперимента; работа команды Франка демонстрирует важность анализа информации, уместившейся в чрезвычайно малых промежутках времени.

Сейчас Франк и его коллеги изучают механизм, порождающий наблюдавшиеся ими чередующиеся паттерны, и то, как в процессе принятия решений эта активность влияет на другие части головного мозга. Кроме того, учёные проводят эксперименты в лабиринте, требующем осуществлять выбор из более чем двух сценариев. Хотя крысиные ритмы головного мозга отличаются от человеческих, исследователи надеются, что полученные ими результаты можно будет экстраполировать на многие виды живых существ.

«Пока что наши знания о тонкой временнóй структуре познания и воображения имеют поверхностный характер, — говорит Кей. — Размышлять на эту тему — весьма увлекательное занятие».

Автор: Джордана Цепелевич (Jordana Cepelewicz), Перевод: Александр Горлов





Ссылка на источник

Tags: нейробиология, память, поведение
Subscribe

Posts from This Journal “нейробиология” Tag

promo alev_biz may 14, 15:25 2
Buy for 20 tokens
1 июня – Международный день защиты детей! В этом году двери детских домов, школ- и домов-интернатов из-за коронавируса оказались закрытыми для праздничных и анимационных программ, которым всегда так рады дети! Но на каждый запрет найдется решение! Центр помощи «Вера»…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 2 comments