Et forskerhold under ledelse af University of Michigan har afdækket et neuralt netværk, der gør det muligt for Drosophila melanogaster-frugtfluer at konvertere eksterne stimuli af forskellig intensitet til en “ja eller nej”-beslutning om, hvornår de skal handle. Forskningen, der er beskrevet i Current Biology, hjælper med at afkode den biologiske mekanisme, som frugtfluens nervesystem bruger til at konvertere en gradient af sensorisk information til et binært adfærdsmæssigt svar. Resultaterne giver ny indsigt, som kan være relevant for, hvordan sådanne beslutninger fungerer hos andre arter, og kan muligvis endda anvendes til at hjælpe kunstige intelligensmaskiner med at lære at kategorisere information.
Den ledende forfatter af undersøgelsen, Bing Ye, ph.d., der er fakultetsmedlem ved University of Michigan Life Science Institute (LSI), mener, at den afdækkede mekanisme kan have vidtrækkende anvendelsesmuligheder. “Der er en dominerende idé inden for vores felt, at disse beslutninger træffes ved akkumulation af beviser, hvilket tager tid,” sagde Ye. “I den biologiske mekanisme, vi fandt, er netværket koblet på en sådan måde, at det ikke har brug for en bevisakkumuleringsfase. Vi ved det ikke endnu, men vi spekulerer på, om dette kunne tjene som en model til at hjælpe AI med at lære at sortere information hurtigere.”
Ye og kolleger beskriver deres forskning i et dokument med titlen “A Neural Basis for Categorizing Sensory Stimuli to Enhance Decision Accuracy.”
Forestil dig at arbejde i nærheden af et åbent vindue. Hvis støjen udefra er lav, er den måske næsten ikke mærkbar. Men efterhånden som støjniveauet gradvist stiger, begynder det at blive mere mærkbart, og til sidst træffer hjernen en beslutning om, hvorvidt den skal rejse sig op og lukke vinduet. Hvordan omsætter nervesystemet så denne gradvise, lineære stigning i intensiteten til en binær “ja/nej”-adfærdsbeslutning? “Mens sensoriske stimuli typisk er til stede i brede og graduerede intensitetsintervaller, er dyrenes beslutninger om, hvorvidt de skal reagere på stimuli, ofte binære”, bemærkede forfatterne. “Et grundlæggende spørgsmål inden for neurovidenskab er, hvordan sådanne graduerede til binære konverteringer i perceptuel beslutningstagning forekommer i centralnervesystemet (CNS).” Som neurovidenskabsmand Ye påpegede, “Det er et virkelig stort spørgsmål. Mellem det sensoriske input og adfærdsoutput er der lidt af en ‘black box’. Med denne undersøgelse ønskede vi at åbne den kasse.”
Hjerneafbildning hos mennesker eller andre pattedyr kan identificere visse regioner i hjernen, der reagerer på bestemte stimuli. Men den store størrelse af pattedyrs centralnervesystem kan være en ulempe. “Selv om perceptuel beslutningstagning primært er blevet undersøgt hos pattedyr, begrænser den store størrelse af pattedyrs CNS den rumtemporale opløsning i vurderingen af CNS-dækkende emergente aktiviteter,” bemærkede forfatterne. For at bestemme, hvordan og hvornår neuronerne omdanner lineær information til en ikke-lineær beslutning, havde de brug for en meget dybere, mere kvantitativ analyse af nervesystemet, sagde Ye.
Holdet valgte at arbejde med modelorganismen Drosophila, for hvilken tilgængelige genetiske værktøjer gør det muligt at identificere individuelle neuroner, der reagerer på stimuli. Ved hjælp af en billeddannelsesteknik, der registrerer neuronal aktivitet gennem kalciumsignalering mellem neuroner, var forskerne i stand til at fremstille 3D-billeddannelse af neuroaktivitet af hele fluernes centrale nervesystem. “… den lille størrelse af Drosophila-larvens CNS kombineret med de seneste fremskridt inden for genetisk kodede calciumindikatorer (GECI’er) muliggør funktionel billeddannelse af hele larvens CNS med subcellulær og subsekundær opløsning, hvilket gør Drosophila-larver til en ideel model til vurdering af den CNS-dækkende neurale aktivitet i perceptuel beslutningstagning,” erklærede forskerne.
“Det, vi så, var, at når vi stimulerer de sensoriske neuroner, der registrerer skadelige stimuli, lyser en hel del hjerneområder op inden for få sekunder”, sagde Yujia Hu, ph.d., der er forsker ved LSI og en af hovedforfatterne på undersøgelsen. “Men disse hjerneområder udfører forskellige funktioner. Nogle behandler straks sensorisk information, nogle udløser adfærdsmæssigt output – men nogle er mere til denne transformationsproces, der sker i mellemtiden.”
Undersøgelserne viste, at når sensoriske neuroner registrerer de skadelige eksterne stimuli, sender de information til anden-ordens neuroner i centralnervesystemet. Især en region af nervesystemet, kaldet den bageste mediale kerne, viste sig at reagere på sensorisk information ved enten at dæmpe mindre intense signaler eller forstærke mere intense signaler, hvilket effektivt sorterer en gradient af sensoriske input i kategorierne “reagerer” eller “reagerer ikke”.
Signalerne bliver således forstærket gennem øget rekruttering af neuroner af anden orden til det neurale netværk – det, som forskerne kalder eskaleret forstærkning. En mild stimulus kan f.eks. aktivere to neuroner af anden orden, mens en mere intens stimulus kan aktivere 10 neuroner af anden orden i netværket. Dette større netværk kan derefter fremkalde en adfærdsmæssig reaktion.
Men for at træffe en “ja/nej”-beslutning har nervesystemet brug for en måde, hvorpå det ikke blot kan forstærke information (for et “ja”-svar), men også undertrykke unødvendig eller mindre skadelig information (for et “nej”-svar). “Vores sansesystem registrerer og fortæller os meget mere, end vi er klar over”, siger Ye, som også er professor i celle- og udviklingsbiologi på U-M Medical School. “Vi har brug for en måde at dæmpe denne information på, ellers ville vi bare konstant have eksponentiel forstærkning.”
Med 3D-billeddannelse fandt forskerne, at de sensoriske neuroner faktisk registrerer de mindre skadelige stimuli, men at informationen filtreres ud af den bageste mediale kerne gennem frigivelse af et kemikalie, der undertrykker neuron-til-neuron-kommunikation. I realiteten undertrykker det neurale netværk neurale signaler forårsaget af “svagere” skadelige stimuli og forstærker dem forårsaget af intense stimuli. “… hvilket gør det muligt for dyrene at ignorere svage stimuli og kun flygte fra virkelige skader.”
Denne mekanisme øger effektivt nøjagtigheden i dyrenes beslutninger om, hvorvidt de skal flygte fra skadelige stimuli eller ej. “I denne undersøgelse identificerer vi et neuralt netværk, der kategoriserer skadelige stimuli af gradueret intensitet for at generere binære flugtbeslutninger i Drosophila-larver, og afdækker en gated forstærkningsmekanisme, der ligger til grund for en sådan binær kategorisering,” konkluderede forfatterne. “Ved at reagere på de skadelige stimuli, hvorimod fejl i hurtige reaktioner kan forårsage skade, ville overdrevne flugtreaktioner på ubetydelige stimuli føre til tab af ressourcer til overlevelse. Den gated forstærkningsmekanisme kunne reducere reaktionerne på ubetydelige stimuli, mens den forstærker reaktionerne på intense stimuli. På denne måde øges nøjagtigheden i beslutningen om, hvorvidt man skal flygte fra stimuli.”