Výzkumný tým vedený Michiganskou univerzitou odhalil neuronovou síť, která umožňuje muškám Drosophila melanogaster převádět vnější podněty různé intenzity na rozhodnutí „ano, nebo ne“, kdy jednat. Výzkum popsaný v časopise Current Biology pomáhá rozluštit biologický mechanismus, který nervový systém ovocných mušek používá k přeměně gradientu smyslových informací na binární behaviorální reakci. Zjištění nabízejí nové poznatky, které mohou být relevantní pro to, jak taková rozhodnutí fungují u jiných druhů, a možná by mohly být dokonce použity k tomu, aby pomohly strojům umělé inteligence naučit se kategorizovat informace.
Vedoucí autor studie Bing Ye, PhD, člen fakulty na University of Michigan Life Science Institute (LSI), věří, že odhalený mechanismus by mohl mít dalekosáhlé využití. „V našem oboru převládá představa, že tato rozhodnutí jsou činěna na základě hromadění důkazů, což vyžaduje čas,“ řekl Ye. „V biologickém mechanismu, který jsme objevili, je síť zapojena tak, že nepotřebuje fázi akumulace důkazů. To zatím nevíme, ale zajímalo by nás, zda by to mohlo sloužit jako model, který by pomohl umělé inteligenci naučit se rychleji třídit informace.“
Ye a jeho kolegové popisují svůj výzkum v článku s názvem „A Neural Basis for Categorizing Sensory Stimuli to Enhance Decision Accuracy.“
Představte si práci u otevřeného okna. Pokud je venkovní hluk nízký, může být sotva znatelný. Jak se však úroveň hluku postupně zvyšuje, začíná být znatelnější a nakonec mozek učiní rozhodnutí, zda vstát a okno zavřít. Jak tedy nervový systém převede toto postupné lineární zvyšování intenzity na binární rozhodnutí o chování „ano/ne“? „Zatímco smyslové podněty jsou obvykle přítomny v širokém a odstupňovaném rozsahu intenzity, rozhodnutí zvířat, zda na podněty reagovat, jsou často binární,“ poznamenali autoři. „Zásadní otázkou v neurovědách je, jak k takovým převodům z odstupňovaného na binární rozhodování při vnímání dochází v centrální nervové soustavě (CNS).“ Jak podotkl neurovědec Ye, „to je opravdu velká otázka. Mezi smyslovým vstupem a výstupem chování je tak trochu ‚černá skříňka‘. Touto studií jsme chtěli tuto skříňku otevřít.“
Zobrazování mozku u lidí nebo jiných savců může identifikovat určité oblasti mozku, které reagují na určité podněty. Velká velikost centrální nervové soustavy savců však může být nevýhodou. „Ačkoli se percepční rozhodování studovalo především u savců, velká velikost CNS savců omezuje časoprostorové rozlišení při posuzování emergentních aktivit v celém CNS,“ poznamenali autoři. Aby mohli určit, jak a kdy neurony transformují lineární informaci na nelineární rozhodnutí, potřebovali mnohem hlubší a kvantitativnější analýzu nervového systému, uvedl Ye.
Tým se rozhodl pracovat s modelovým organismem Drosophila, u kterého dostupné genetické nástroje umožňují identifikovat jednotlivé neurony reagující na podněty. Pomocí zobrazovací techniky, která detekuje aktivitu neuronů prostřednictvím vápníkové signalizace mezi neurony, byli vědci schopni vytvořit 3D zobrazení neuroaktivity celé centrální nervové soustavy mušek. “ … malá velikost CNS larev drozofil v kombinaci s nedávným pokrokem v oblasti geneticky kódovaných indikátorů vápníku (GECI) umožňuje funkční zobrazování celého CNS larev se subcelulárním a subsekundovým rozlišením, což z larev drozofil činí ideální model pro hodnocení neuronální aktivity celého CNS při percepčním rozhodování,“ uvedli badatelé.
„Viděli jsme, že při stimulaci senzorických neuronů, které detekují škodlivé podněty, se během několika sekund rozsvítí poměrně mnoho oblastí mozku,“ uvedl doktor Yujia Hu, výzkumný pracovník LSI a jeden z hlavních autorů studie. „Tyto oblasti mozku však plní různé funkce. Některé okamžitě zpracovávají smyslové informace, některé vyvolávají behaviorální výstup – ale některé jsou spíše pro tento transformační proces, který probíhá mezi tím.“
Studie ukázaly, že když senzorické neurony detekují škodlivé vnější podněty, vysílají informace do neuronů druhého řádu v centrální nervové soustavě. Bylo zjištěno, že zejména jedna oblast nervového systému, nazývaná zadní mediální jádro, reaguje na smyslové informace buď ztlumením méně intenzivních signálů, nebo zesílením intenzivnějších signálů, čímž účinně třídí gradient smyslových vstupů do kategorií „reagovat“ nebo „nereagovat“.
Signály se tak zesilují prostřednictvím zvýšeného náboru neuronů druhého řádu do nervové sítě – což vědci označují jako stupňované zesílení. Mírný podnět může aktivovat například dva neurony druhého řádu, zatímco intenzivnější podnět může v síti aktivovat 10 neuronů druhého řádu. Tato větší síť pak může vyvolat behaviorální reakci.
Aby však nervový systém mohl učinit rozhodnutí „ano/ne“, potřebuje způsob, jak nejen zesílit informace (pro odpověď „ano“), ale také potlačit nepotřebné nebo méně škodlivé informace (pro odpověď „ne“). „Náš smyslový systém detekuje a sděluje nám mnohem více, než si uvědomujeme,“ řekl Ye, který je také profesorem buněčné a vývojové biologie na lékařské fakultě U-M. „Potřebujeme způsob, jak tyto informace utlumit, jinak by docházelo jen k neustálému exponenciálnímu zesilování.“
Pomocí 3D zobrazování vědci zjistili, že smyslové neurony skutečně detekují méně škodlivé podněty, ale tyto informace jsou filtrovány zadním mediálním jádrem, a to prostřednictvím uvolňování chemické látky, která potlačuje komunikaci mezi neurony. V důsledku toho nervová síť potlačuje nervové signály vyvolané „slabšími“ škodlivými podněty a zesiluje signály vyvolané intenzivními podněty. „… což zvířatům umožňuje ignorovat slabé podněty a unikat pouze před skutečnými škodlivinami.“
Tento mechanismus účinně zvyšuje přesnost v rozhodování zvířat o tom, zda uniknout před škodlivými podněty. „V této studii identifikujeme neuronální síť, která kategorizuje noxické podněty odstupňované intenzity za účelem generování binárních únikových rozhodnutí u larev drozofil, a odhalujeme mechanismus gated amplification, který je základem takové binární kategorizace,“ uzavírají autoři. „Zatímco při reakci na noxní podněty může selhání pohotových reakcí způsobit škodu, nadměrné únikové reakce na zanedbatelné podněty by vedly ke ztrátě zdrojů pro přežití. Mechanismus zesílení brány by mohl snížit reakce na zanedbatelné podněty, zatímco posílit reakce na intenzivní podněty. Tímto způsobem se zvyšuje přesnost rozhodování o úniku před podněty.“
.