Як клітини мозку координують свої дії для прийняття складних рішень
Кожне рішення починається непомітно, оскільки мозок зважує варіанти задовго до дії. Дослідники зараз довели, що, незважаючи на індивідуальні відмінності в активності нейронів, спільна базова структура спрямовує мозок до узгоджених рішень.
Навчаючи макак завданню вибору кольору та фіксуючи нейронну активність, вчені виявили, що реакції нейронів формуються загальним «потенційним ландшафтом», який змінюється залежно від складності завдання. Це дослідження пропонує нову модель того, як мозок організовує складні рішення, і може допомогти в майбутньому розумінні психічних станів, які порушують процес прийняття рішень.
Задовго до того, як хтось почне діяти, мозок вже наполегливо працює, збираючи докази, зважуючи варіанти та поступово приймаючи рішення. Але навіть стикаючись з однаковими доказами, люди можуть дійти різних результатів, особливо коли рішення складне. Наприклад, два різні водії в годину пік бачать одну й ту саму затор на дорозі, але один може пришвидшитися, щоб злитися з дорогою, поки інший обережно загальмує.
Однак, як мозок, що складається з мільярдів спеціалізованих клітин, приймає ці рішення за частки секунди, значною мірою залишалося загадкою.
Тепер нові результати досліджень, проведених Принстонським університетом у співпраці з дослідниками з лабораторії Колд-Спрінг-Харбор, Стенфордського університету та Бостонського університетів, проливають світло на те, як різноманітні клітини мозку об'єднуються, щоб прийняти єдине рішення. Дослідники виявили, що хоча окремі нейрони мають надзвичайно складні реакції, їхня активність формується спільною структурою, яка зрештою спрямовує мозок до єдиного вибору.
Результати дослідження були опубліковані в журналі Nature 25 червня.
Класичні експерименти в нейронауці показали, що мозок відображає просту сенсорну інформацію, таку як основні форми чи звуки, передбачуваним чином. Чорний прямокутник, повернутий під кутом 45 градусів, активує певну групу клітин у зоровій корі.
Однак, якщо трохи змінити кут, то засвітиться інша група. Однак рішення, особливо пов'язані з дією, є складнішими, ніж розрізнення дещо різних тонів чи форм, що ускладнює для дослідників ідентифікацію нейронного коду, який керує процесом прийняття рішень.
Щоб подолати цю проблему, дослідницька група навчила макак-резусів визначати, який колір (червоний чи зелений) домінує на клітинному екрані. Прості спроби були чіткими, але неоднозначні вимагали ретельного обмірковування.
Поки мавпи обмірковували свій вибір, дослідники фіксували активність нервових клітин у дорсальній премоторній корі – ділянці мозку, яка бере участь у перетворенні рішень на дії.
Вони виявили, що нейрони реагували дуже по-різному, навіть в межах одного випробування, що свідчить про високий ступінь «гетерогенності» або мінливості нейронного коду, відповідального за прийняття рішень.
«Поширене припущення полягає в тому, що ця гетерогенність відображає складну динаміку, пов’язану з когнітивними процесами», – сказала Тетяна Енгель, доктор філософії, доцент Принстонського інституту нейронаук і старший автор дослідження.
«Але, як не дивно, ми виявили, що ця очевидна складність виникає через зовсім інший принцип нейронного кодування».
Щоб пояснити цю різноманітність, команда розробила гнучку обчислювальну модель, яка виявила дві критичні особливості, що впливають на поведінку кожного нейрона: 1) налаштування: коли і на яке рішення схильний реагувати нейрон; та 2) нейронна динаміка: представлена «потенційним ландшафтом», який спрямовує активність.
У цій моделі долини в ландшафті представляють собою стабільне прийняте рішення. Розгортання нейронної активності подібне до м'яча, що котиться по місцевості: крутіші схили рішучіше підштовхують активність до вибору.
При апроксимації реальними даними модель показала, що налаштування залишалося незмінним як у легких, так і в складних випробуваннях, але форма потенційного ландшафту змінювалася. У легших завданнях ландшафт був крутим, що призводило до швидших і впевненіших рішень. У складніших завданнях місцевість була пологою та більш схильною до шуму, що збільшувало ймовірність помилок. Хоча кожен нейрон мав різну індивідуальну реакцію, всі вони, здавалося, мали однаковий базовий потенційний ландшафт.
«Уявіть собі це як групу лижників, що спускаються з гори», – сказав Енгель. «Кожен віддає перевагу дещо іншому шляху, але всі вони сформовані однаковим схилом під собою. Так само кожен нейрон має свої власні уподобання та активність, але група клітин разом у премоторній корі здійснює скоординовану подорож і поступово встановлюється у стабільний стан, який відображає рішення».
Розуміння того, як нейрони співпрацюють для прийняття рішень, може дати глибше розуміння фундаментальних функцій мозку та того, як вони порушуються при таких розладах, як шизофренія або біполярний розлад, коли змінюються процеси прийняття рішень.
Маючи нову модель, Енгель та її колеги планують дослідити, як різні типи нейронів та способи їхнього зв'язку сприяють різноманітному налаштуванню та чітким фазам прийняття рішень, які вони спостерігали.
«Кожне рішення унікальне», — сказав Енгель. «Але, заглибившись у рівень окремих випробувань та окремих нейронів, ми можемо почати розуміти його».
За матеріалами neurosciencenews.com
Фото: freepik.com
