Moždani kod je izgleda u stalnom kretanju – neuronaučnici zbunjeni

Neuroni se aktiviraju mnogo nepredvidljivije nego što su istraživači mislili. Šta to znači za način na koji mozak funkcioniše?

U neuronauci je dogma da određene moždane ćelije reaguju na isti način na istu stvar. Specifični neuroni se uvek aktiviraju, na primer, kad vidimo određene oblike i boje; drugi neuroni se aktiviraju radi savijanja ruke ili mrdanja nosom. Ta teorija kaže da je mozgu potrebna ova stabilnost kako bi na dosledno reagovao na spoljni svet.

Preporučujemo

Kad je neuronaučnica Lora Driskol započela istraživanje na Harvardskom univerzitetu 2012. godine, prvi zadatak je bio da utvrdi ovu osnovicu prateći aktivnost individualnih mišjih neurona tokom vremena.

Međutim, ta osnovica se stalno menjala. Tokom nekoliko dana, reakcije mnogih ćelija su se primetno promenile. Neuroni koji su postajali aktivni kad je miš bio na određenoj lokaciji prvog dana jedva su reagovali na istom mestu nakon nekoliko nedelja. „To je apsolutno prkosilo svim našim očekivanjima“, priseća se Driskol. „Ovo je bilo toliko iznenađujuće da se ceo moj projekat promenio“.

Tokom nekoliko nedelja, iako je zadatak kretanja kroz lavirint ostao isti, obrasci aktivnosti su doživeli veliku reorganizaciju. Neki od neurona su prestali da se aktiviraju u reakciji na stimuluse koji su ih ranije aktivirali; drugi su uradili suprotno. U grupama ćelija, pak, obrasci neuronske aktivnosti ostali su postojaniji tokom vremena. Rezultati su sugerisali da pojedinačni neuroni možda nemaju fiksne uloge i da reakcija pojedinačnih ćelija može biti manje važna od aktivnosti čitavih populacija.

Od tada je mnogo istraživača izvestilo da neuroni tokom vremena menjaju način na koji reaguju na određene stimuluse ili ponašanja, što je fenomen koji su neuronaučnici nazvali reprezentaciona promena. Dokazi su pronađeni u različitim regionima mozga i pomoću nekoliko različitih tehnika. Ipak, neki naučnici nisu uvereni — delom zbog toga što neke studije nisu pronašle ovaj efekat.

Rasprave se vode i oko drugih pitanja. Kako je mozak u stanju da generiše stabilna ponašanja kad se neuronske reprezentacije stalno menjaju? Kojoj svrsi, ako ikakvoj, ta promena služi? I kakav je odnos te promene prema plasticitetu, kad mozak menja svoje veze da bi naučio nove stvari?

Razumevanje reprezentacione promene moglo bi imati dalekosežne implikacije, od dešifrovanja kako se pamćenja formiraju i ažuriraju do dizajna interfejsa mozak-računar i nervnih mreža za alate veštačke inteligencije, kažu istraživači.

Neočekivane promene

Ideja da se određeni neuroni uvek aktiviraju kao odgovor na iste signale može se pratiti u prošlost do 1950-ih i 1960-ih kad su neuronaučnici izneli tvrdnju da se neuroni preferencijalno aktiviraju kao odgovor na određene stimuluse. Kasnije su identifikovane ćelije mesta, neuroni koji postaju aktivni kad su životinje na određenim lokacijama.

Stabilne reprezentacije su takođe formirale osnovu za vodeće modele pamćenja. Tokom decenija, neuronaučnici su prikupljali dokaze za „engrame“, trajne promene u populacijama moždanih ćelija koje se koriste za skladištenje i prizivanje prošlih iskustava. Studije su pokazale da stimulisanje određenih neurona u hipokampusu može ponovo probuditi ista sećanja i da, obrnuto, inhibiranje tih ćelija može da ih potisne.

Međutim, početkom 2000-ih, počeli su da se pojavljuju znaci da bi način na koji mozak reprezentuje informacije mogao biti fleksibilniji nego što naučnici misle, pošto su istraživači počeli da prelaze sa snimanja ćelija u pojedinačnim vremenskim tačkama na praćenje tokom dužih perioda.

Rane studije su se suočile sa pitanjima o metodologiji, npr. da li naučnici zaista mogu biti sigurni da su ćelije koje su snimili jednog dana iste one koje su praćene sledećeg dana. Međutim, napredak u tehnologijama snimanja ublažio je neke od tih briga.

Reprezentaciona promena je nastavila da se pojavljuje u više oblasti, uključujući i neka malo verovatna mesta, kao što su vizuelni korteks i olfaktorni korteks. Na primer, naučnici su mislili da bi aktivnost neurona u regionu za procesuiranje mirisa morala biti fiksna kako bi životinje mogle da identifikuju mirise, ali je otkriveno da su obrasci aktivnosti bili gotovo potpuno neprepoznatljivi mesec dana nakon prvobitnih snimanja.

Ako se reprezentaciona promena zaista dešava, šta je njena funkcija? Da li je to nešto korisno, ključno za način na koji mozak radi? Ili je to greška, nešto što mozak mora da prevaziđe?

Jedna hipoteza je da reprezentaciona promena, barem u hipokampusu, pomaže mozgu da prati vreme. Promene aktivnosti grupa neurona u hipokampusu mogle bi kodirati protok vremena između događaja. Slično, te promene su možda neophodne za „vremensko označavanje“ događaja za dugoročna pamćenja.

Takođe, reprezentaciona promena bi mogla omogućavati mozgu da poveže pamćenja koja su formirana u bliskom vremenskom razmaku, kažu neuronaučnici. Kad su miševi posetili dve lokacije u roku od nekoliko sati, isti skup neurona je kodirao obe lokacije u pamćenju. Međutim, kad je između poseta prošlo nedelju dana, grupe neurona upotrebljene za kodiranje sećanja na svaku lokaciju bile su različite.

Pored učvršćivanja pamćenja u vremenu, reprezentaciona promena bi mogla omogućiti mozgu da ažurira pamćenja sa novim informacijama. „Svakog dana imamo iskustva i moramo da integrišemo ono što naučimo sa našom prošlošću“, kažu istraživači. „Ako iste ćelije uvek deluju na isti način, nema prostora u mozgu za primanje novih informacija“.

Razumevanje faktora koji kontrolišu da li se reprezentaciona promena dešava, i u kojoj meri, moglo bi pomoći istraživačima da razumeju kako dolazi do narušavanja pamćenja u psihijatrijskim i neurodegenerativnim poremećajima, kao i kako da ih poprave.

Izgleda da se ta promena dešava različitim brzinama u različitim regionima mozga — više promena se dešava u hipokampusu, na primer, nego u vizuelnom korteksu — i ove razlike mogu odražavati kapacitet svakog regiona da integriše nove informacije u postojeće nervne sklopove.

Nasuprot tome, neki istraživači kažu da bi ta promena mogla biti ishod nasumičnih fizičkih promena koje se dešavaju u mozgu, kao što je razvoj sinapsi, zajedno sa normalnim nervnim plasticitetom, kad se veze između neurona modifikuju dok životinje uče.

Ostavljajući po strani pitanja o funkciji, neuronaučnici se takođe suočavaju sa misterijom kako ponašanje i percepcija ostaju stabilni ako se neuronski kodovi u njihovoj osnovi menjaju. Postoje dve glavne ideje: možda se neuronska populacija menja, ali u njoj postoje svojstva koja su stabilna, ili možda mozak ima mehanizme koji mu omogućavaju da izvuče stabilnu sliku iz promenljivih reprezentacija.

Reprezentaciona promena bi mogla biti sveobuhvatni termin za mnogo stvari - mnoštvo mehanizama koji leže u osnovi.

Postoje i praktični razlozi za želju da se razume reprezentaciona promena. To bi moglo pomoći istraživačima da poboljšaju dizajn interfejsa mozak-mašina, jer bi takvi uređaji morali da uzmu u obzir reprezentacionu promenu, naročito ako su implantirani na duže periode.

Foto: Janik Chemolli / Panthermedia / Profimedia

Takođe bi moglo doprineti boljim alatima veštačke inteligencije. Jedan uobičajeni problem veštačkih nervnih mreža je „katastrofalno zaboravljanje“ – sistem gubi prethodno naučene sposobnosti kad dobije primere koji previše odstupaju od skupa za obuku. Razumevanje reprezentacione promene moglo bi dati uvid u način kako mozgovi izbegavaju ovaj problem — i ukazati na puteve da se to ublaži.

Promenljive reprezentacije?

Iako koncept reprezentacione promene dobija na zamahu, i dalje ima kritičare.

Neki neuronaučnici koji proučavaju druge životinje osim miševa nisu uspeli da pronađu dokaze o toj promeni. Kod slepih miševa, aktivnost neurona hipokampusa ostaje stabilna nedeljama dok lete duž poznate putanje. Slepi miševi imaju „neverovatna prostorna pamćenja“, kažu naučnici.

Viđene su neke promene u obrascima aktivnosti neurona, ali se mogu objasniti suptilnim varijacijama u putanjama letenja. Tako bi reprezentaciona promena mogla biti „iluzija usled nepravilne kontrole u pogledu ponašanja“. Ili to može jednostavno biti fenomen koji je specifičan za određene vrste.

Neki istraživači su identifikovali oblasti mozga koje izgledaju otporne na reprezentacionu promenu. U delovima mozga povezanim sa kretanjem, čini se da je ovaj fenomen odsutan. U motornom korteksu uočavamo stabilan odnos između neuronske aktivnosti i ponašanja, kažu naučnici.

Neki kažu da je odsustvo reprezentacione promene u motornom sistemu znak da istraživači moraju pažljivije da pogledaju svoje nalaze u ostatku mozga. Istraživači su izvestili da suptilne fluktuacije u ponašanju, kao što je brzina trčanja, kao i unutrašnjim stanjima, npr. koliko je životinja angažovana u nekom zadatku, mogu uticati na obrasce neuronskih odgovora na specifične stimuluse. Ovo sugeriše da reprezentaciona promena može biti rezultat tih malenih promena, a ne promena u načinu na koji neuronske populacije izvode specifične funkcije.

„Da bismo bili sigurni da se nešto menja u mozgu dok radimo istu stvar, trebalo bi da pokažemo da sve što je unutrašnje i spoljašnje za životinju ostaje isto“, kažu istraživači.

Pokušaj kontrole svih ovih suptilnih promena nije lak zadatak. Međutim, u studiji iz 2019, razvijen je algoritam mašinskog učenja za mapiranje čitave unutrašnje strukture obrazaca neuronske aktivnosti koji su zabeleženi kod miševa. Otkriveno je da se u hipokampusu miša reprezentaciona promena mogla detektovati čak i kad su uzete u obzir neviđene varijable ponašanja.

Jedan od najvećih izazova u praćenju literature o reprezentacionoj promeni je to što su različite laboratorije koristile različite metode za ispitivanje i različite načine za analizu svojih podataka.

Otkriće reprezentacione promene takođe ugrožava centralni princip neuronauke: da su pojedinačni neuroni koji se aktiviraju u prisustvu nekog objekta ili ponašanja uključeni u te specifične neuronske procese. Međutim, ovo gledište možda propušta širu sliku. Mozak se sastoji od populacija neurona koje su u interakciji i istraživači bi trebalo da razumeju šta ovaj kolektiv radi. Čak i ako mozak kao celina radi nešto, to ne znači da postoji specifičan deo koji radi tu stvar.

Zasad je ovo jedno od mnogih pitanja koja ostaju bez odgovora. Pošto je većina dosadašnjeg rada obavljena na miševima, kako bi to moglo izgledati kod drugih organizama? Šta je sa ljudima? Istraživači zasad nemaju dobre načine da svoje studije na životinjskim modelima, što uključuju snimanje istih neurona danima i nedeljama, prevedu na ljude — iako su neki istraživači koristili snimanje mozga radi proučavanja kod ljudi.

Identifikacija reprezentacione promene u neuronauci upoređuje se sa otkrićem tamne materije u fizici - otkriće da u univerzumu postoji mnogo više nego što su naučnici mislili. To je takođe podstaklo neuronaučnike da pažljivo razmotre metode koje koriste za proučavanje mozga. „Treba da budemo svesni svojih ograničenja. Možemo da vidimo samo one stvari koje nam naše metode dozvoljavaju da vidimo“.

(Telegraf Nauka/Nature)