Een onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Michigan heeft een neuraal netwerk ontdekt dat fruitvliegen van Drosophila melanogaster in staat stelt externe stimuli van verschillende intensiteit om te zetten in een “ja of nee”-beslissing over wanneer te handelen. Het onderzoek, beschreven in Current Biology, helpt bij het ontcijferen van het biologische mechanisme dat het zenuwstelsel van de fruitvlieg gebruikt om een gradiënt van zintuiglijke informatie om te zetten in een binaire gedragsrespons. De bevindingen bieden nieuwe inzichten die relevant kunnen zijn voor hoe dergelijke beslissingen werken in andere soorten, en zouden mogelijk zelfs kunnen worden toegepast om kunstmatige intelligentie machines te helpen leren om informatie te categoriseren.
Senior studie auteur Bing Ye, PhD, een faculteitslid aan de Universiteit van Michigan Life Science Institute (LSI), gelooft dat het blootgelegde mechanisme verreikende toepassingen zou kunnen hebben. “Er is een dominant idee in ons vakgebied dat deze beslissingen worden genomen door de accumulatie van bewijs, wat tijd kost,” zei Ye. “In het biologische mechanisme dat we hebben gevonden, is het netwerk zo bedraad dat het geen bewijsaccumulatiefase nodig heeft. We weten het nog niet, maar we vragen ons af of dit zou kunnen dienen als een model om AI te helpen sneller informatie te leren sorteren.”
Ye en collega’s beschrijven hun onderzoek in een paper getiteld, “A Neural Basis for Categorizing Sensory Stimuli to Enhance Decision Accuracy.”
Stel je voor dat je in de buurt van een open raam werkt. Als het geluid buiten laag is, is het nauwelijks merkbaar. Maar als het geluidsniveau geleidelijk toeneemt, begint het meer op te vallen, en uiteindelijk neemt het brein een beslissing over het al dan niet opstaan en het raam sluiten. Hoe vertaalt het zenuwstelsel die geleidelijke, lineaire toename in intensiteit naar een binaire, “ja/nee” gedragsbeslissing? “Terwijl zintuiglijke stimuli typisch aanwezig zijn in brede en gradaties van intensiteit, zijn de beslissingen van dieren om al dan niet op de stimuli te reageren vaak binair,” merkten de auteurs op. “Een fundamentele vraag in de neurowetenschap is hoe dergelijke gradatie-naar-binaire conversies in perceptuele besluitvorming plaatsvinden in het centrale zenuwstelsel (CZS).” Zoals neurowetenschapper Ye opmerkte: “Dat is echt een grote vraag. Tussen de zintuiglijke input en de gedragsoutput zit een beetje een ‘black box’. Met deze studie wilden we die doos openen.”
Brain imaging bij mensen of andere zoogdieren kan bepaalde regio’s van de hersenen identificeren die reageren op bepaalde stimuli. Maar de grote omvang van het centrale zenuwstelsel van zoogdieren kan een nadeel zijn. “Hoewel perceptuele besluitvorming voornamelijk bij zoogdieren is bestudeerd, beperkt de grote omvang van het centrale zenuwstelsel van zoogdieren de spatiotemporele resolutie bij de beoordeling van opkomende activiteiten in het hele centrale zenuwstelsel,” merkten de auteurs op. Om te bepalen hoe en wanneer de neuronen lineaire informatie omzetten in een niet-lineaire beslissing, hadden ze een veel diepere, meer kwantitatieve analyse van het zenuwstelsel nodig, zei Ye.
Het team koos ervoor om te werken met het modelorganisme Drosophila, waarvoor beschikbare genetische hulpmiddelen het mogelijk maken om individuele neuronen die reageren op stimuli te identificeren. Met behulp van een beeldvormingstechniek die neuronale activiteit detecteert door middel van calciumsignalering tussen neuronen, waren de wetenschappers in staat om 3D neuroactiviteit beeldvorming van het hele centrale zenuwstelsel van de vliegen te produceren. ” … de kleine omvang van de Drosophila larvale CZS, in combinatie met recente vooruitgang in genetisch gecodeerde calcium indicatoren (GECI’s), maakt functionele beeldvorming van de gehele larvale CZS op subcellulaire en subseconde resolutie, waardoor Drosophila larven een ideaal model voor het beoordelen van de CNS-brede neurale activiteit in perceptuele besluitvorming,” verklaarden de onderzoekers.
“Wat we zagen was dat, wanneer we de zintuiglijke neuronen stimuleren die schadelijke stimuli detecteren, heel wat hersengebieden binnen enkele seconden oplichten,” zei Yujia Hu, PhD, een onderzoeker aan het LSI en een van de hoofdauteurs van de studie. “Maar deze hersengebieden voeren verschillende functies uit. Sommige verwerken onmiddellijk zintuiglijke informatie, andere stimuleren de gedragsoutput – maar sommige zijn meer voor dit transformatieproces dat daartussen plaatsvindt.”
De studies toonden aan dat wanneer sensorische neuronen schadelijke externe stimuli waarnemen, zij informatie sturen naar neuronen van de tweede orde in het centrale zenuwstelsel. Een bepaald deel van het zenuwstelsel, de mediale kern van het achterste deel, bleek te reageren op zintuiglijke informatie door minder intense signalen te onderdrukken of intensere signalen te versterken, waarbij een gradiënt van zintuiglijke inputs effectief werd ingedeeld in “reageren” of “niet reageren”-categorieën.
De signalen worden dus versterkt door een verhoogde rekrutering van neuronen van de tweede orde in het neurale netwerk – wat de onderzoekers “geëscaleerde versterking” noemen. Een milde stimulus kan bijvoorbeeld twee neuronen van de tweede orde activeren, terwijl een meer intense stimulus 10 neuronen van de tweede orde in het netwerk kan activeren. Dit grotere netwerk kan dan een gedragsrespons uitlokken.
Maar om een “ja/nee” beslissing te nemen, heeft het zenuwstelsel niet alleen een manier nodig om informatie te versterken (voor een “ja” reactie), maar ook om onnodige of minder schadelijke informatie te onderdrukken (voor een “nee” reactie). “Ons zintuiglijk systeem detecteert en vertelt ons veel meer dan we ons realiseren,” zei Ye, die ook hoogleraar cel- en ontwikkelingsbiologie is aan de U-M Medical School. “We hebben een manier nodig om die informatie te stillen, anders zouden we gewoon constant exponentiële versterking hebben.”
Met behulp van de 3D-beeldvorming ontdekten de onderzoekers dat de zintuigneuronen eigenlijk de minder schadelijke stimuli detecteren, maar dat die informatie wordt uitgefilterd door de achterste mediale kern, door het vrijkomen van een chemische stof die de neuron-naar-neuron communicatie onderdrukt. In feite onderdrukt het neurale netwerk neurale signalen veroorzaakt door ‘zwakkere’ schadelijke stimuli, en versterkt het die veroorzaakt door intense stimuli. “… waardoor dieren zwakke stimuli kunnen negeren en alleen aan echte schade kunnen ontsnappen.”
Dit mechanisme verhoogt effectief de nauwkeurigheid in de beslissingen van dieren om al dan niet te ontsnappen aan schadelijke stimuli. “In deze studie identificeren we een neuraal netwerk dat schadelijke stimuli van graded intensiteiten categoriseert om binaire ontsnappingsbeslissingen in Drosophila-larven te genereren, en ontrafelen een gated amplificatiemechanisme dat ten grondslag ligt aan dergelijke binaire categorisatie,” concludeerden de auteurs. “Bij het reageren op de schadelijke stimuli, terwijl falen in snelle reacties schade kan veroorzaken, zou overmatig ontsnappen reacties op verwaarloosbare stimuli leiden tot het verlies van middelen om te overleven. Het ‘gated amplification’ mechanisme zou de reacties op verwaarloosbare stimuli kunnen verminderen, terwijl het de reacties op intense stimuli zou kunnen versterken. Op deze manier wordt de nauwkeurigheid in de beslissing om al dan niet aan de stimuli te ontsnappen vergroot.”