Πώς μαθαίνουμε νέα πράγματα; Οι νευροβιολόγοι που χρησιμοποιούν τεχνικές απεικόνισης αιχμής (cutting-edge visualization techniques) έχουν αποκαλύψει πώς εξελίσσονται οι αλλαγές σε όλες τις συνάψεις και τους νευρώνες μας. Τα ευρήματα απεικονίζουν τον τρόπο με τον οποίο οι πληροφορίες υποβάλλονται σε επεξεργασία στα κυκλώματα του εγκεφάλου μας, προσφέροντας πληροφορίες για νευρολογικές διαταραχές και συστήματα τεχνητής νοημοσύνης που μοιάζουν με τον εγκέφαλο.
Πώς μαθαίνουμε κάτι καινούργιο, όπως είναι τα καθήκοντα σε μια νέα εργασία, οι στίχοι για το τελευταίο τραγούδι ή οι οδηγίες του σπιτιού ενός φίλου; Η ευρεία απάντηση είναι ότι ο εγκέφαλός μας υφίσταται προσαρμογές για να φιλοξενήσει νέες πληροφορίες. Προκειμένου να ακολουθήσει μια νέα συμπεριφορά ή να διατηρήσει τις νέες πληροφορίες, το κύκλωμα του εγκεφάλου υφίσταται αλλαγή. Τέτοιες τροποποιήσεις ενορχηστρώνονται σε τρισεκατομμύρια συνάψεις -τις συνδέσεις μεταξύ των μεμονωμένων νευρικών κυττάρων, που ονομάζονται νευρώνες-, όπου λαμβάνει χώρα η επικοινωνία του εγκεφάλου.
Σε μια περίπλοκα συντονισμένη διαδικασία, οι νέες πληροφορίες προκαλούν ορισμένες συνάψεις να δυναμώσουν με νέα δεδομένα, ενώ άλλες γίνονται πιο αδύναμες. Οι νευροεπιστήμονες που έχουν μελετήσει στενά αυτές τις αλλαγές, γνωστές ως «συναπτική πλαστικότητα», έχουν εντοπίσει πολυάριθμες μοριακές διεργασίες που προκαλούν τέτοια πλαστικότητα. Ωστόσο, η κατανόηση των «κανόνων» που επιλέγουν ποιες συνάψεις υποβάλλονται σε αυτή τη διαδικασία παρέμενε άγνωστη, ένα μυστήριο που τελικά υπαγορεύει τον τρόπο με τον οποίο οι μαθημένες πληροφορίες συλλαμβάνονται στον εγκέφαλο.
Οι νευροβιολόγοι του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο, William «Jake» Wright, Nathan Hedrick και Takaki Komiyama, έχουν πλέον αποκαλύψει βασικές λεπτομέρειες σχετικά με αυτή τη διαδικασία. Η κύρια οικονομική υποστήριξη για αυτή την πολυετή μελέτη δόθηκε από αρκετές εθνικές υποτροφίες έρευνας υγείας και από επιχορήγηση κατάρτισης.
Δραστηριότητες
Όπως δημοσιεύθηκε στις 17 Απριλίου στο περιοδικό «Science», οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια μεθοδολογία απεικόνισης του εγκεφάλου αιχμής, συμπεριλαμβανομένης της απεικόνισης δύο φωτονίων, για να μεγεθύνουν την εγκεφαλική δραστηριότητα των ποντικών και να παρακολουθήσουν τις δραστηριότητες των συνάψεων και των νευρωνικών κυττάρων κατά τη διάρκεια μαθησιακών δραστηριοτήτων.
Με την ικανότητα να βλέπουν μεμονωμένες συνάψεις όπως ποτέ άλλοτε, οι νέες εικόνες αποκάλυψαν ότι οι νευρώνες δεν ακολουθούν ένα σύνολο κανόνων κατά τη διάρκεια επεισοδίων μάθησης, όπως είχε υποτεθεί σύμφωνα με τη συμβατική σκέψη. Αντίθετα, τα δεδομένα αποκάλυψαν ότι οι μεμονωμένοι νευρώνες ακολουθούν πολλαπλούς κανόνες, με τις συνάψεις σε διαφορετικές περιοχές να ακολουθούν διαφορετικούς κανόνες. Αυτά τα νέα ευρήματα υποστηρίζουν τις εξελίξεις σε πολλούς τομείς, από τις διαταραχές του εγκεφάλου και της συμπεριφοράς έως την τεχνητή νοημοσύνη.
«Όταν οι άνθρωποι μιλούν για τη συναπτική πλαστικότητα, συνήθως, θεωρείται ομοιόμορφη μέσα στον εγκέφαλο», δήλωσε ο Ράιτ, μεταδιδακτορικός μελετητής στη Σχολή Βιολογικών Επιστημών και πρώτος συγγραφέας της μελέτης.
«Η έρευνά μας παρέχει μια σαφέστερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τροποποιούνται οι συνάψεις κατά τη διάρκεια της μάθησης, με δυνητικά σημαντικές επιπτώσεις στην υγεία, δεδομένου ότι πολλές ασθένειες στον εγκέφαλο περιλαμβάνουν κάποια μορφή συναπτικής δυσλειτουργίας».
Οι νευροεπιστήμονες έχουν μελετήσει προσεκτικά πώς οι συνάψεις έχουν πρόσβαση μόνο στις δικές τους «τοπικές» πληροφορίες, αλλά συλλογικά βοηθούν στη διαμόρφωση ευρειών νέων μαθησιακών συμπεριφορών, ένα αίνιγμα που χαρακτηρίζεται ως «πρόβλημα της πιστωτικής ανάθεσης». Το ζήτημα είναι ανάλογο με τα μεμονωμένα μυρμήγκια που λειτουργούν σε συγκεκριμένα καθήκοντα χωρίς γνώση των στόχων ολόκληρης της αποικίας.
Η διαπίστωση ότι οι νευρώνες ακολουθούν πολλούς κανόνες ταυτόχρονα αιφνιδίασε τους ερευνητές. Οι μέθοδοι αιχμής που χρησιμοποιήθηκαν στη μελέτη επέτρεψαν να απεικονίσουν τις εισροές και τις εξόδους των αλλαγών στους νευρώνες, καθώς συνέβαιναν.
Υπολογισμοί
«Αυτή η ανακάλυψη αλλάζει θεμελιωδώς τον τρόπο με τον οποίο κατανοούμε τον τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος επιλύει το πρόβλημα της πιστωτικής ανάθεσης, με την έννοια ότι οι μεμονωμένοι νευρώνες εκτελούν διακριτούς υπολογισμούς παράλληλα σε διαφορετικά υποκυτταρικά διαμερίσματα», δήλωσε ο ανώτερος συγγραφέας της μελέτης Takaki Komiyama, καθηγητής στα Τμήματα της Νευροβιολογίας (Σχολή Βιολογικών Επιστημών) και των Νευροεπιστημών (Σχολής της Ιατρικής), με ραντεβού στα Ινστιτούτα Halıcıoğlu Data Science και Kavli Institute Brain and Mind (για τον εγκέφαλο και τον νου).
Οι νέες πληροφορίες προσφέρουν πολλά υποσχόμενες πληροφορίες για το μέλλον της τεχνητής νοημοσύνης και των νευρωνικών δικτύων που μοιάζουν με τον εγκέφαλο πάνω στον οποίο λειτουργούν. Συνήθως ένα ολόκληρο νευρωνικό δίκτυο λειτουργεί σε ένα κοινό σύνολο κανόνων πλαστικότητας, αλλά αυτή η έρευνα περιλαμβάνει πιθανούς νέους τρόπους σχεδιασμού προηγμένων συστημάτων τεχνητής νοημοσύνης χρησιμοποιώντας πολλαπλούς κανόνες σε μοναδικές ενότητες.
Για την υγεία και τη συμπεριφορά, τα ευρήματα θα μπορούσαν να προσφέρουν έναν νέο τρόπο για τη θεραπεία καταστάσεων, συμπεριλαμβανομένων του εθισμού, της διαταραχής μετατραυματικού στρες και της νόσου του Αλτσχάιμερ, καθώς και νευροαναπτυξιακών διαταραχών όπως ο αυτισμός.
«Αυτή η εργασία θέτει ένα πιθανό θεμέλιο για την προσπάθεια να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί κανονικά ο εγκέφαλος για να μας επιτρέψει να κατανοήσουμε καλύτερα τι συμβαίνει σε αυτές τις διαφορετικές ασθένειες», δήλωσε ο Wright.
Τα νέα ευρήματα οδηγούν τώρα τους ερευνητές σε μια πορεία να σκάψουν βαθύτερα για να κατανοήσουν πώς οι νευρώνες είναι σε θέση να χρησιμοποιήσουν διαφορετικούς κανόνες ταυτόχρονα και τι οφέλη τούς δίνει η χρήση πολλαπλών κανόνων.
Πηγή ιστορίας: ScienceDaily | Έρευνα και υλικά: Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια – Σαν Ντιέγκο. Πρωτότυπο γραμμένο από τον Mario Aguilera.
Εφημερίδα Απογευματινή
