A Michigani Egyetem kutatócsoportja olyan neurális hálózatot fedezett fel, amely lehetővé teszi a Drosophila melanogaster gyümölcslegyek számára, hogy a különböző intenzitású külső ingereket “igen vagy nem” döntéssé alakítsák a cselekvés időpontját illetően. A Current Biology című folyóiratban ismertetett kutatás segít megfejteni azt a biológiai mechanizmust, amellyel a gyümölcslégy idegrendszere az érzékszervi információk gradiensét bináris viselkedési válasszá alakítja. Az eredmények új ismeretekkel szolgálnak, amelyek fontosak lehetnek arra nézve, hogyan működnek az ilyen döntések más fajoknál, és esetleg még arra is alkalmazhatók, hogy segítsenek a mesterséges intelligencia gépeknek megtanulni kategorizálni az információkat.
A tanulmány vezető szerzője, Bing Ye, PhD, a Michigani Egyetem Élettudományi Intézetének (LSI) oktatója úgy véli, hogy a feltárt mechanizmusnak messzemenő alkalmazásai lehetnek. “A mi területünkön az az elképzelés uralkodik, hogy ezek a döntések a bizonyítékok felhalmozásával születnek, ami időbe telik” – mondta Ye. “Az általunk talált biológiai mechanizmusban a hálózat úgy van bekötve, hogy nincs szükség a bizonyítékok felhalmozási szakaszára. Még nem tudjuk, de kíváncsiak vagyunk, hogy ez modellként szolgálhat-e ahhoz, hogy a mesterséges intelligencia megtanuljon gyorsabban válogatni az információkat.”
Ye és munkatársai a “A Neural Basis for Categorizing Sensory Stimuli to Enhance Decision Accuracy” című tanulmányban ismertetik kutatásukat.”
Képzeljük el, hogy egy nyitott ablak mellett dolgozunk. Ha a külső zaj alacsony, akkor alig észrevehető. De ahogy a zajszint fokozatosan növekszik, egyre inkább észrevehetővé válik, és végül az agy döntést hoz arról, hogy felálljon-e és becsukja-e az ablakot. Hogyan fordítja tehát az idegrendszer ezt a fokozatos, lineáris intenzitásnövekedést egy bináris, “igen/nem” viselkedési döntéssé? “Míg az érzékszervi ingerek jellemzően széles és fokozatos intenzitási tartományokban vannak jelen, az állatok döntései arról, hogy reagálnak-e az ingerekre, gyakran binárisak” – jegyezték meg a szerzők. “Az idegtudományok egyik alapvető kérdése, hogy az ilyen fokozatos-bináris átalakítások az érzékelési döntéshozatalban hogyan történnek a központi idegrendszerben (CNS)”. Ahogy Ye idegtudós rámutatott: “Ez egy igazán nagy kérdés. Az érzékszervi bemenet és a viselkedés kimenete között van egy kis “fekete doboz”. Ezzel a vizsgálattal ezt a dobozt akartuk kinyitni.”
Az emberek vagy más emlősök agyának képalkotása képes azonosítani az agy bizonyos régióit, amelyek bizonyos ingerekre reagálnak. Az emlősök központi idegrendszerének nagy mérete azonban hátrányt jelenthet. “Bár a perceptuális döntéshozatalt elsősorban emlősökön tanulmányozták, az emlősök központi idegrendszerének nagy mérete korlátozza a tér-időbeli felbontást a központi idegrendszer egészére kiterjedő emergens tevékenységek értékelésében” – jegyezték meg a szerzők. Annak meghatározásához, hogy a neuronok hogyan és mikor alakítják át a lineáris információt nemlineáris döntéssé, az idegrendszer sokkal mélyebb, kvantitatívabb elemzésére volt szükség, mondta Ye.
A csapat a Drosophila modellszervezettel való munkát választotta, amely esetében a rendelkezésre álló genetikai eszközök lehetővé teszik az ingerekre reagáló egyes neuronok azonosítását. Egy olyan képalkotó technika segítségével, amely a neuronális aktivitást a neuronok közötti kalcium-jelátvitel révén érzékeli, a tudósok képesek voltak 3D-s neuroaktivitás-képalkotást készíteni a legyek teljes központi idegrendszeréről. ” … a Drosophila lárva CNS kis mérete, valamint a genetikailag kódolt kalciumindikátorok (GECI) legújabb fejlesztései lehetővé teszik a teljes lárva CNS funkcionális képalkotását szubcelluláris és másodperc alatti felbontásban, ami a Drosophila lárvákat ideális modellé teszi a perceptuális döntéshozatalban az egész CNS-re kiterjedő neurális aktivitás értékelésére” – állapították meg a kutatók.
“Azt láttuk, hogy amikor a káros ingereket érzékelő szenzoros neuronokat stimuláljuk, másodperceken belül elég sok agyi régió világít fel” – mondta Yujia Hu, PhD, az LSI kutatója és a tanulmány egyik vezető szerzője. “Ezek az agyi régiók azonban különböző funkciókat látnak el. Egyesek azonnal feldolgozzák az érzékszervi információkat, mások a viselkedési kimenetet váltják ki – de vannak, amelyek inkább erre a közben zajló átalakulási folyamatra szolgálnak.”
A vizsgálatok kimutatták, hogy amikor az érzékelő neuronok érzékelik a káros külső ingereket, információt küldenek a központi idegrendszer másodrendű neuronjainak. Az idegrendszernek különösen egy régióját, az úgynevezett hátsó mediális magot találták, amely úgy reagál az érzékszervi információkra, hogy vagy elnémítja a kevésbé intenzív jeleket, vagy felerősíti az intenzívebb jeleket, gyakorlatilag az érzékszervi bemenetek gradiensét “válaszol” vagy “nem válaszol” kategóriákba sorolja.
A jelek így felerősödnek a másodrendű neuronok fokozott toborzása révén az ideghálózatba – amit a kutatók eszkalált erősítésnek neveznek. Egy enyhe inger például két másodrendű neuront aktiválhat, míg egy intenzívebb inger 10 másodrendű neuront aktiválhat a hálózatban. Ez a nagyobb hálózat aztán viselkedési választ válthat ki.
Az “igen/nem” döntés meghozatalához azonban az idegrendszernek nemcsak az információ felerősítésére van szüksége (az “igen” válaszhoz), hanem a felesleges vagy kevésbé káros információk elnyomására is (a “nem” válaszhoz). “Az érzékelő rendszerünk sokkal többet érzékel és mond el nekünk, mint azt gondolnánk” – mondta Ye, aki egyben az U-M Medical School sejt- és fejlődésbiológia professzora is. “Valahogyan le kell csendesítenünk ezt az információt, különben folyamatosan exponenciális erősödés lenne.”
A 3D-s képalkotás segítségével a kutatók megállapították, hogy az érzékelő neuronok valóban érzékelik a kevésbé káros ingereket, de ezt az információt a hátsó mediális mag kiszűri egy olyan vegyi anyag felszabadításával, amely elnyomja a neuron-neuron kommunikációt. Az ideghálózat tulajdonképpen elnyomja a “gyengébb” káros ingerek által okozott idegi jeleket, és felerősíti az intenzív ingerek által okozottakat. “… lehetővé téve az állatok számára, hogy figyelmen kívül hagyják a gyenge ingereket, és csak a valódi ártalmak elől meneküljenek.”
Ez a mechanizmus hatékonyan növeli az állatok döntésének pontosságát, hogy elmenekülnek-e a káros ingerek elől vagy sem. “Ebben a tanulmányban azonosítunk egy neurális hálózatot, amely kategorizálja a fokozatos intenzitású káros ingereket, hogy bináris menekülési döntéseket hozzon létre a Drosophila lárvákban, és feltárunk egy kapuzott erősítő mechanizmust, amely az ilyen bináris kategorizálás hátterében áll” – állapították meg a szerzők. “A káros ingerekre adott válaszok során, míg a gyors válaszok elmaradása kárt okozhat, az elhanyagolható ingerekre adott túlzott menekülési válaszok a túléléshez szükséges erőforrások elvesztéséhez vezetnének. A kapuerősítő mechanizmus csökkentheti az elhanyagolható ingerekre adott válaszokat, míg az intenzív ingerekre adott válaszokat fokozhatja. Ily módon fokozódik az ingerek elől való menekülésről való döntés pontossága.”