Michiganin yliopiston johtama tutkimusryhmä on löytänyt hermoverkon, jonka avulla Drosophila melanogaster -hedelmäkärpäset pystyvät muuntamaan voimakkuudeltaan vaihtelevat ulkoiset ärsykkeet ”kyllä tai ei” -päätöksi siitä, milloin toimia. Current Biology -lehdessä kuvattu tutkimus auttaa purkamaan biologisen mekanismin, jonka avulla hedelmäkärpäsen hermosto muuntaa aistitiedon gradientin binääriseksi käyttäytymisreaktioksi. Löydökset tarjoavat uusia oivalluksia, jotka voivat olla merkityksellisiä sen kannalta, miten tällaiset päätökset toimivat muissa lajeissa, ja niitä voitaisiin mahdollisesti jopa soveltaa, jotta tekoälykoneet oppisivat luokittelemaan tietoa.
Tutkimuksen vanhempi kirjoittaja, tohtori Bing Ye, joka työskentelee Michiganin yliopiston biotieteiden instituutin (LSI) tiedekunnassa, uskoo, että paljastetulla mekanismilla voi olla kauaskantoisia sovelluksia. ”Alallamme on vallalla ajatus, että nämä päätökset tehdään todisteiden kasaamisen kautta, mikä vie aikaa”, Ye sanoi. ”Löytämässämme biologisessa mekanismissa verkko on kytketty siten, että se ei tarvitse todisteiden kasaantumisvaihetta. Emme tiedä vielä, mutta mietimme, voisiko tämä toimia mallina, jonka avulla tekoäly voisi oppia lajittelemaan tietoa nopeammin.”
Ye ja kollegat kuvaavat tutkimustaan artikkelissa ”A Neural Basis for Categorizing Sensory Stimuli to Enhance Decision Accuracy.”
Kuvittele työskenteleväsi avoinna olevan ikkunan lähellä. Jos ulkoa kantautuva melu on vähäistä, sitä saattaa olla tuskin havaittavissa. Mutta kun melutaso vähitellen nousee, se alkaa tuntua enemmän, ja lopulta aivot tekevät päätöksen siitä, pitäisikö nousta ylös ja sulkea ikkuna. Miten hermosto siis muuttaa tämän asteittaisen, lineaarisen voimakkuuden kasvun binääriseksi, ”kyllä/ei”-käyttäytymispäätökseksi? ”Vaikka aistiärsykkeet ovat tyypillisesti läsnä laajoilla ja porrastetuilla voimakkuusalueilla, eläinten päätökset siitä, reagoivatko ne ärsykkeisiin, ovat usein binäärisiä”, kirjoittajat totesivat. ”Neurotieteen peruskysymys on, miten tällaiset asteittaiset muunnokset binäärisiksi havaintopäätöksissä tapahtuvat keskushermostossa (CNS).” Kuten neurotieteilijä Ye huomautti: ”Se on todella suuri kysymys. Aistinsyötteen ja käyttäytymisen tuotoksen välissä on hieman ’musta laatikko’. Tällä tutkimuksella halusimme avata tuon laatikon.”
Aivojen kuvantamisella ihmisillä tai muilla nisäkkäillä voidaan tunnistaa tiettyjä aivojen alueita, jotka reagoivat tiettyihin ärsykkeisiin. Nisäkkäiden keskushermoston suuri koko voi kuitenkin olla haittapuolena. ”Vaikka havaintopäätöksentekoa on tutkittu pääasiassa nisäkkäillä, nisäkkäiden keskushermoston suuri koko rajoittaa spatiotemporaalista resoluutiota arvioitaessa keskushermoston laajuisia emergenttejä toimintoja”, kirjoittajat totesivat. Määrittääkseen, miten ja milloin neuronit muuttavat lineaarisen informaation epälineaariseksi päätökseksi, he tarvitsivat paljon syvällisempää, kvantitatiivisempaa analyysia hermostosta, Ye sanoi.
Ryhmä valitsi työskentelyynsä malliorganismin Drosophilan, jonka käytettävissä olevat geneettiset työkalut mahdollistavat yksittäisten ärsykkeisiin reagoivien neuronien tunnistamisen. Käyttämällä kuvantamistekniikkaa, joka havaitsee hermosolujen aktiivisuuden hermosolujen välisen kalsiumsignaalin välityksellä, tutkijat pystyivät tuottamaan 3D-neuroaktiivisuuskuvauksen kärpästen koko keskushermostosta. ” … Drosophilan toukan CNS:n pieni koko yhdistettynä viimeaikaisiin edistysaskeliin geneettisesti koodattujen kalsiumindikaattoreiden (GECI) alalla mahdollistaa koko toukan CNS:n toiminnallisen kuvantamisen subcellulaarisella ja sub-sekunnin resoluutiolla, mikä tekee Drosophilan toukasta ihanteellisen mallin CNS:n laajuisen neuraalisen aktiivisuuden arvioimiseksi havaintopäätösten tekemisessä”, tutkijat totesivat.
”Havaitsimme, että kun stimuloimme haitallisia ärsykkeitä havaitsevia aistineuroneja, melko monet aivoalueet syttyvät sekunneissa”, sanoi tohtori Yujia Hu, LSI:n tutkija ja yksi tutkimuksen pääkirjoittajista. ”Mutta nämä aivoalueet suorittavat erilaisia tehtäviä. Jotkut käsittelevät välittömästi aistitietoa, jotkut sytyttävät käyttäytymistuloksen – mutta jotkut ovat enemmänkin tätä välissä tapahtuvaa muutosprosessia varten.”
Tutkimukset osoittivat, että kun aistineuronit havaitsevat haitallisen ulkoisen ärsykkeen, ne lähettävät tietoa keskushermoston toisen asteen hermosoluille. Erityisesti yhden hermoston alueen, jota kutsutaan posterioriseksi mediaaliseksi ytimeksi, havaittiin reagoivan aistitietoon joko vaimentamalla vähemmän voimakkaita signaaleja tai vahvistamalla voimakkaampia signaaleja, jolloin aistitulojen gradientti lajitellaan tehokkaasti luokkiin ”reagoi” tai ”älä reagoi”.
Signaalit siis vahvistuvat lisääntyneen toisen asteen neuronien rekrytoitumisen kautta hermoverkkoon – mitä tutkijat kutsuvat eskaloituneeksi vahvistukseksi. Lievä ärsyke saattaa esimerkiksi aktivoida kaksi toisen asteen neuronia, kun taas voimakkaampi ärsyke saattaa aktivoida 10 toisen asteen neuronia verkossa. Tämä laajempi verkosto voi sitten saada aikaan käyttäytymisvasteen.
Mutta tehdäkseen ”kyllä/ei”-päätöksen hermosto tarvitsee keinon paitsi vahvistaa tietoa (kyllä-vastetta varten), myös tukahduttaa tarpeetonta tai vähemmän haitallista tietoa (ei-vastetta varten). ”Aistijärjestelmämme havaitsee ja kertoo meille paljon enemmän kuin ymmärrämmekään”, sanoo Ye, joka on myös solu- ja kehitysbiologian professori U-M Medical Schoolissa. ”Tarvitsemme keinon hiljentää tuo tieto, tai muuten meillä olisi jatkuvasti eksponentiaalinen vahvistuminen.”
Käyttämällä 3D-kuvantamista tutkijat havaitsivat, että aistineuronit havaitsevat itse asiassa vähemmän haitalliset ärsykkeet, mutta takimmainen mediaalinen ydin suodattaa tuon tiedon pois vapauttamalla kemikaalia, joka tukahduttaa neuronien välisen viestinnän. Tosiasiassa hermoverkko tukahduttaa ”heikompien” haitallisten ärsykkeiden aiheuttamat hermosignaalit ja vahvistaa voimakkaiden ärsykkeiden aiheuttamia signaaleja. ”… jolloin eläimet voivat jättää huomiotta heikot ärsykkeet ja paeta vain todellisia haittoja.”
Tämä mekanismi lisää tehokkaasti eläinten tarkkuutta päätöksissä siitä, paetaanko haitallisia ärsykkeitä vai ei. ”Tässä tutkimuksessa tunnistamme hermoverkon, joka luokittelee asteittain voimakkuudeltaan haitallisia ärsykkeitä luodakseen binäärisiä pakenemispäätöksiä Drosophilan toukissa, ja paljastamme tällaisen binäärisen luokittelun taustalla olevan portin vahvistusmekanismin”, kirjoittajat päättelivät. ”Vastattaessa haitallisiin ärsykkeisiin, kun taas epäonnistuminen nopeissa vasteissa voi aiheuttaa haittaa, liialliset pakenemisvasteet vähäpätöisiin ärsykkeisiin johtaisivat selviytymisresurssien menettämiseen. Porttivahvistusmekanismi voisi vähentää vasteita mitättömiin ärsykkeisiin, kun taas voimakkaisiin ärsykkeisiin kohdistuvia vasteita voitaisiin tehostaa. Näin parannetaan tarkkuutta päätöksenteossa siitä, paetaanko ärsykkeeltä.”