Rete neurale filtra gli stimoli esterni deboli e forti per aiutare il cervello a prendere decisioni “sì o no”

Un team di ricerca guidato dall’Università del Michigan ha scoperto una rete neurale che permette ai moscerini della frutta Drosophila melanogaster di convertire stimoli esterni di varia intensità in una decisione “sì o no” su quando agire. La ricerca, descritta in Current Biology, aiuta a decodificare il meccanismo biologico che il sistema nervoso del moscerino della frutta utilizza per convertire un gradiente di informazioni sensoriali in una risposta comportamentale binaria. I risultati offrono nuove intuizioni che possono essere rilevanti per il funzionamento di tali decisioni in altre specie, e potrebbero anche essere applicate per aiutare le macchine di intelligenza artificiale ad imparare a categorizzare le informazioni.

L’autore senior dello studio Bing Ye, PhD, membro di facoltà presso l’Università del Michigan Life Science Institute (LSI), ritiene che il meccanismo scoperto potrebbe avere applicazioni di vasta portata. “C’è un’idea dominante nel nostro campo che queste decisioni sono prese dall’accumulo di prove, che richiede tempo”, ha detto Ye. “Nel meccanismo biologico che abbiamo trovato, la rete è cablata in un modo che non ha bisogno di una fase di accumulo di prove. Non lo sappiamo ancora, ma ci chiediamo se questo potrebbe servire come modello per aiutare l’intelligenza artificiale ad imparare a ordinare le informazioni più rapidamente”.”

Ye e colleghi descrivono la loro ricerca in un documento intitolato “A Neural Basis for Categorizing Sensory Stimuli to Enhance Decision Accuracy.”

Immaginate di lavorare vicino a una finestra aperta. Se il rumore esterno è basso, può essere appena percettibile. Ma quando il livello di rumore aumenta gradualmente, comincia a diventare più evidente, e alla fine il cervello prende una decisione se alzarsi e chiudere la finestra. Ma come fa il sistema nervoso a tradurre quel graduale e lineare aumento di intensità in una decisione comportamentale binaria, “sì/no”? “Mentre gli stimoli sensoriali sono tipicamente presenti in ampi e graduali intervalli di intensità, le decisioni degli animali se rispondere agli stimoli sono spesso binarie”, hanno notato gli autori. “Una domanda fondamentale nelle neuroscienze è come queste conversioni da graduale a binaria nel processo decisionale percettivo si verificano nel sistema nervoso centrale (CNS)”. Come ha sottolineato il neuroscienziato Ye, “Questa è davvero una grande domanda. Tra l’input sensoriale e l’output del comportamento c’è un po’ di ‘scatola nera’. Con questo studio, abbiamo voluto aprire quella scatola”

L’imaging cerebrale negli esseri umani o in altri mammiferi può identificare alcune regioni del cervello che rispondono a particolari stimoli. Ma le grandi dimensioni del sistema nervoso centrale dei mammiferi possono essere uno svantaggio. “Anche se il processo decisionale percettivo è stato studiato principalmente nei mammiferi, le grandi dimensioni del SNC dei mammiferi limitano la risoluzione spazio-temporale nella valutazione delle attività emergenti a livello del SNC”, hanno notato gli autori. Per determinare come e quando i neuroni trasformano le informazioni lineari in una decisione non lineare, avevano bisogno di un’analisi molto più profonda e quantitativa del sistema nervoso, ha detto Ye.

Il team ha scelto di lavorare con l’organismo modello Drosophila, per il quale gli strumenti genetici disponibili rendono possibile identificare i singoli neuroni che rispondono agli stimoli. Utilizzando una tecnica di imaging che rileva l’attività neuronale attraverso la segnalazione di calcio tra i neuroni, gli scienziati sono stati in grado di produrre immagini di neuroattività 3D dell’intero sistema nervoso centrale delle mosche. ” … le piccole dimensioni del SNC larvale di Drosophila, combinate con i recenti progressi negli indicatori di calcio geneticamente codificati (GECIs), permettono l’imaging funzionale dell’intero SNC larvale a risoluzione subcellulare e subsecondaria, il che rende le larve di Drosophila un modello ideale per valutare l’attività neurale a livello del SNC nel processo decisionale percettivo”, hanno dichiarato i ricercatori.

“Quello che abbiamo visto è che, quando stimoliamo i neuroni sensoriali che rilevano gli stimoli nocivi, un bel po’ di regioni del cervello si accendono in pochi secondi”, ha detto Yujia Hu, PhD, un ricercatore della LSI e uno degli autori principali dello studio. “Ma queste regioni del cervello svolgono funzioni diverse. Alcune elaborano immediatamente le informazioni sensoriali, alcune innescano l’output comportamentale, ma alcune sono più per questo processo di trasformazione che si verifica nel mezzo.”

I ricercatori hanno catturato immagini 3D delle regioni del sistema nervoso centrale di Drosophila che vengono attivate in risposta alla stimolazione nociva. Il centro mediale posteriore (rosso), che si trova tra le regioni sensoriali e motorie del sistema nervoso, è importante per prendere decisioni comportamentali.

Gli studi hanno dimostrato che quando i neuroni sensoriali rilevano gli stimoli esterni nocivi, inviano informazioni ai neuroni di secondo ordine nel sistema nervoso centrale. Una regione del sistema nervoso in particolare, chiamata nucleo mediale posteriore, è stata trovata per rispondere alle informazioni sensoriali sia mutando i segnali meno intensi, o amplificando i segnali più intensi, ordinando efficacemente un gradiente di input sensoriali in categorie “rispondere” o “non rispondere”.

I segnali vengono così amplificati attraverso un maggiore reclutamento di neuroni di secondo ordine alla rete neurale – ciò che i ricercatori chiamano amplificazione escalation. Uno stimolo lieve potrebbe attivare due neuroni di secondo ordine, per esempio, mentre uno stimolo più intenso potrebbe attivare 10 neuroni di secondo ordine nella rete. Questa rete più grande può quindi sollecitare una risposta comportamentale.

Ma per prendere una decisione “sì/no”, il sistema nervoso ha bisogno di un modo non solo per amplificare le informazioni (per una risposta “sì”), ma anche per sopprimere informazioni inutili o meno dannose (per una risposta “no”). “Il nostro sistema sensoriale rileva e ci dice molto più di quanto ci rendiamo conto”, ha detto Ye, che è anche professore di biologia cellulare e dello sviluppo nella U-M Medical School. “

Utilizzando l’imaging 3D, i ricercatori hanno scoperto che i neuroni sensoriali effettivamente rilevano gli stimoli meno dannosi, ma queste informazioni sono filtrate dal nucleo mediale posteriore, attraverso il rilascio di una sostanza chimica che reprime la comunicazione neurone-neurone. In effetti, la rete neurale sopprime i segnali neurali causati da stimoli nocivi più “deboli”, e amplifica quelli causati da stimoli intensi. “… permettendo agli animali di ignorare gli stimoli deboli e fuggire solo dai danni reali.”

Questo meccanismo migliora efficacemente la precisione nelle decisioni degli animali sul fatto di fuggire o meno dagli stimoli nocivi. “In questo studio, identifichiamo una rete neurale che categorizza gli stimoli nocivi di intensità graduata per generare decisioni binarie di fuga nelle larve di Drosophila, e sveliamo un meccanismo di amplificazione gated che è alla base di tale categorizzazione binaria”, hanno concluso gli autori. “Nel rispondere agli stimoli nocivi, mentre il fallimento nelle risposte tempestive può causare danni, risposte di fuga eccessive a stimoli trascurabili porterebbero alla perdita di risorse per la sopravvivenza. Il meccanismo di amplificazione gated potrebbe ridurre le risposte a stimoli trascurabili mentre aumenta le risposte a stimoli intensi. In questo modo, l’accuratezza nel decidere se fuggire dagli stimoli è migliorata.”

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