Ein Forscherteam unter Leitung der Universität Michigan hat ein neuronales Netzwerk aufgedeckt, das es der Fruchtfliege Drosophila melanogaster ermöglicht, äußere Reize unterschiedlicher Intensität in eine „Ja oder Nein“-Entscheidung darüber umzuwandeln, wann sie handeln soll. Die in Current Biology beschriebene Forschungsarbeit trägt zur Entschlüsselung des biologischen Mechanismus bei, mit dem das Nervensystem der Fruchtfliege einen Gradienten sensorischer Informationen in eine binäre Verhaltensreaktion umwandelt. Die Ergebnisse bieten neue Einsichten, die für die Funktionsweise solcher Entscheidungen bei anderen Arten von Bedeutung sein könnten und möglicherweise sogar dazu beitragen könnten, dass Maschinen mit künstlicher Intelligenz lernen, Informationen zu kategorisieren.
Der Hauptautor der Studie, Bing Ye, PhD, Fakultätsmitglied am Life Science Institute (LSI) der University of Michigan, ist der Ansicht, dass der entdeckte Mechanismus weitreichende Anwendungen haben könnte. „In unserem Fachgebiet herrscht die Vorstellung vor, dass diese Entscheidungen durch die Anhäufung von Beweisen getroffen werden, was Zeit braucht“, so Ye. „Bei dem biologischen Mechanismus, den wir gefunden haben, ist das Netzwerk so verdrahtet, dass es keine Phase der Evidenzakkumulation braucht. Wir wissen es noch nicht, aber wir fragen uns, ob dies als Modell dienen könnte, um der künstlichen Intelligenz zu helfen, Informationen schneller zu sortieren.“
Ye und Kollegen beschreiben ihre Forschung in einem Papier mit dem Titel „A Neural Basis for Categorizing Sensory Stimuli to Enhance Decision Accuracy.“
Stellen Sie sich vor, Sie arbeiten in der Nähe eines offenen Fensters. Wenn der Außenlärm gering ist, ist er vielleicht kaum wahrnehmbar. Wenn der Geräuschpegel jedoch allmählich ansteigt, wird er immer stärker wahrgenommen, und schließlich trifft das Gehirn eine Entscheidung darüber, ob es aufstehen und das Fenster schließen soll. Wie also übersetzt das Nervensystem diese allmähliche, lineare Zunahme der Intensität in eine binäre „Ja/Nein“-Verhaltensentscheidung? „Während sensorische Reize typischerweise in breiten und abgestuften Intensitätsbereichen vorhanden sind, sind die Entscheidungen der Tiere, ob sie auf die Reize reagieren sollen, oft binär“, so die Autoren. „Eine grundlegende Frage in den Neurowissenschaften ist, wie solche Umwandlungen von abgestuften in binäre Wahrnehmungsentscheidungen im zentralen Nervensystem (ZNS) erfolgen. Der Neurowissenschaftler Ye wies darauf hin: „Das ist eine wirklich große Frage. Zwischen dem sensorischen Input und der Verhaltensausgabe liegt eine Art ‚Black Box‘. Mit dieser Studie wollten wir diese Box öffnen.“
Die Bildgebung des Gehirns beim Menschen oder anderen Säugetieren kann bestimmte Regionen des Gehirns identifizieren, die auf bestimmte Reize reagieren. Die Größe des zentralen Nervensystems von Säugetieren kann jedoch ein Nachteil sein. „Obwohl die Entscheidungsfindung in der Wahrnehmung hauptsächlich bei Säugetieren untersucht wurde, schränkt die Größe des ZNS von Säugetieren die räumlich-zeitliche Auflösung bei der Bewertung von ZNS-weiten emergenten Aktivitäten ein“, so die Autoren. Um herauszufinden, wie und wann die Neuronen lineare Informationen in eine nichtlineare Entscheidung umwandeln, benötigten sie eine viel tiefer gehende, quantitativere Analyse des Nervensystems, so Ye.
Das Team entschied sich für den Modellorganismus Drosophila, bei dem es mit den verfügbaren genetischen Werkzeugen möglich ist, einzelne Neuronen zu identifizieren, die auf Reize reagieren. Mit Hilfe eines bildgebenden Verfahrens, das die neuronale Aktivität durch Kalzium-Signalübertragung zwischen den Neuronen erkennt, konnten die Wissenschaftler eine 3D-Darstellung der Neuroaktivität des gesamten zentralen Nervensystems der Fliegen erstellen. „… die geringe Größe des ZNS der Drosophila-Larve in Verbindung mit den jüngsten Fortschritten bei genetisch kodierten Kalziumindikatoren (GECIs) ermöglicht die funktionelle Bildgebung des gesamten larvalen ZNS mit subzellulärer und subsekündlicher Auflösung, was die Drosophila-Larve zu einem idealen Modell für die Bewertung der ZNS-weiten neuronalen Aktivität bei der Wahrnehmungsentscheidung macht“, so die Forscher.
„Wir haben gesehen, dass bei der Stimulierung der sensorischen Neuronen, die schädliche Reize erkennen, innerhalb von Sekunden eine ganze Reihe von Hirnregionen aufleuchten“, so Yujia Hu, PhD, Forscher am LSI und einer der Hauptautoren der Studie. „Aber diese Hirnregionen erfüllen unterschiedliche Funktionen. Einige verarbeiten unmittelbar sensorische Informationen, andere lösen das Verhalten aus – einige sind jedoch eher für diesen Transformationsprozess zuständig, der dazwischen stattfindet.“
Die Studien zeigten, dass sensorische Neuronen, wenn sie schädliche äußere Reize erkennen, Informationen an Neuronen zweiter Ordnung im zentralen Nervensystem senden. Es wurde festgestellt, dass insbesondere eine Region des Nervensystems, der so genannte posteriore mediale Kern, auf sensorische Informationen reagiert, indem sie entweder weniger intensive Signale stumm schaltet oder intensivere Signale verstärkt, wodurch ein Gradient sensorischer Eingaben effektiv in die Kategorien „reagieren“ oder „nicht reagieren“ eingeteilt wird.
Die Signale werden also durch eine verstärkte Rekrutierung von Neuronen zweiter Ordnung in das neuronale Netzwerk verstärkt – was die Forscher als eskalierte Verstärkung bezeichnen. Ein leichter Reiz kann beispielsweise zwei Neuronen zweiter Ordnung aktivieren, während ein intensiverer Reiz 10 Neuronen zweiter Ordnung im Netzwerk aktivieren kann. Dieses größere Netzwerk kann dann eine Verhaltensreaktion auslösen.
Aber um eine „Ja/Nein“-Entscheidung zu treffen, muss das Nervensystem nicht nur Informationen verstärken (für eine „Ja“-Reaktion), sondern auch unnötige oder weniger schädliche Informationen unterdrücken (für eine „Nein“-Reaktion). „Unser sensorisches System erkennt und informiert uns über viel mehr, als uns bewusst ist“, sagt Ye, der auch Professor für Zell- und Entwicklungsbiologie an der Medizinischen Fakultät der U-M ist. „
Mit Hilfe der 3D-Bildgebung fanden die Forscher heraus, dass die sensorischen Neuronen tatsächlich die weniger schädlichen Reize erkennen, dass diese Informationen aber durch den hinteren medialen Kern herausgefiltert werden, indem ein chemischer Stoff freigesetzt wird, der die Kommunikation von Neuron zu Neuron unterdrückt. Im Endeffekt unterdrückt das neuronale Netzwerk neuronale Signale, die durch „schwächere“ schädliche Reize verursacht werden, und verstärkt diejenigen, die durch intensive Reize verursacht werden. „Dieser Mechanismus ermöglicht es den Tieren, schwache Reize zu ignorieren und nur vor wirklichen Gefahren zu fliehen.“
Dieser Mechanismus verbessert effektiv die Genauigkeit der Entscheidungen der Tiere, ob sie vor schädlichen Reizen fliehen oder nicht. „In dieser Studie identifizieren wir ein neuronales Netzwerk, das schädliche Reize abgestufter Intensität kategorisiert, um binäre Fluchtentscheidungen in Drosophila-Larven zu treffen, und entschlüsseln einen Gated-Amplification-Mechanismus, der einer solchen binären Kategorisierung zugrunde liegt“, so die Autoren. „Während bei der Reaktion auf schädliche Reize ein Versagen bei prompten Reaktionen zu Schäden führen kann, würden übermäßige Fluchtreaktionen auf vernachlässigbare Reize zum Verlust von Überlebensressourcen führen. Der Gated-Amplification-Mechanismus könnte die Reaktionen auf vernachlässigbare Reize reduzieren, während die Reaktionen auf intensive Reize verstärkt werden. Auf diese Weise wird die Genauigkeit der Entscheidung, ob man vor den Reizen fliehen soll, verbessert.“