Zespół badawczy pod kierownictwem Uniwersytetu Michigan odkrył sieć neuronową, która umożliwia muszkom owocowym Drosophila melanogaster przekształcenie bodźców zewnętrznych o różnej intensywności w decyzję „tak lub nie” o tym, kiedy należy działać. Badania, opisane w Current Biology, pomagają rozszyfrować biologiczny mechanizm, który układ nerwowy muszki owocowej wykorzystuje do przekształcenia gradientu informacji sensorycznych w binarną odpowiedź behawioralną. Odkrycia oferują nowe spojrzenie, które może być istotne dla tego, jak takie decyzje działają u innych gatunków, a nawet mogą być zastosowane do pomocy maszynom sztucznej inteligencji w nauce kategoryzacji informacji.
Senior autor badania, dr Bing Ye, członek wydziału w University of Michigan Life Science Institute (LSI), uważa, że odkryty mechanizm może mieć daleko idące zastosowania. „W naszej dziedzinie dominuje pogląd, że decyzje podejmowane są poprzez gromadzenie dowodów, co wymaga czasu” – powiedział Ye. „W biologicznym mechanizmie, który znaleźliśmy, sieć jest okablowana w taki sposób, że nie potrzebuje fazy gromadzenia dowodów. Jeszcze nie wiemy, ale zastanawiamy się, czy to może służyć jako model, aby pomóc AI nauczyć się sortować informacje szybciej.”
Ye i współpracownicy opisują swoje badania w pracy zatytułowanej, „A Neural Basis for Categorizing Sensory Stimuli to Enhance Decision Accuracy.”
Wyobraź sobie pracę w pobliżu otwartego okna. Jeśli hałas na zewnątrz jest niski, może być ledwo zauważalny. Ale jak poziom hałasu stopniowo wzrasta, to zaczyna stawać się bardziej zauważalny, i ostatecznie, mózg podejmuje decyzję o tym, czy wstać i zamknąć okno. Więc jak układ nerwowy przekłada ten stopniowy, liniowy wzrost intensywności na binarną, „tak/nie” decyzję behawioralną? „Podczas gdy bodźce sensoryczne są zazwyczaj obecne w szerokich i stopniowanych zakresach intensywności, decyzje zwierząt o tym, czy reagować na bodźce, są często binarne” – zauważają autorzy. „Fundamentalnym pytaniem w neuronauce jest to, jak takie stopniowane do binarnych konwersje w percepcyjnym podejmowaniu decyzji zachodzą w ośrodkowym układzie nerwowym (CNS)”. Jak zauważył neuronaukowiec Ye, „To naprawdę duże pytanie. Pomiędzy wejściem sensorycznym a wyjściem behawioralnym jest trochę 'czarna skrzynka’. W tym badaniu chcieliśmy otworzyć to pudełko.”
Obrazowanie mózgu u ludzi lub innych ssaków może zidentyfikować pewne regiony mózgu, które reagują na poszczególne bodźce. Ale duży rozmiar centralnego układu nerwowego ssaków może być wadą. „Chociaż percepcyjne podejmowanie decyzji było głównie badane u ssaków, duży rozmiar OUN ssaków ogranicza rozdzielczość przestrzenno-czasową w ocenie działań emergentnych w całym OUN” – zauważają autorzy. Aby określić, jak i kiedy neurony przekształcają liniową informację w nieliniową decyzję, potrzebowali znacznie głębszej, bardziej ilościowej analizy układu nerwowego, powiedział Ye.
Zespół zdecydował się pracować z organizmem modelowym Drosophila, dla którego dostępne narzędzia genetyczne umożliwiają identyfikację poszczególnych neuronów reagujących na bodźce. Używając techniki obrazowania, która wykrywa aktywność neuronów poprzez sygnalizację wapnia pomiędzy neuronami, naukowcy byli w stanie wyprodukować trójwymiarowe obrazowanie neuroaktywności całego centralnego układu nerwowego muchy. ” … mały rozmiar OUN larw Drosophila, w połączeniu z ostatnimi postępami w genetycznie kodowanych wskaźnikach wapnia (GECIs), pozwala na funkcjonalne obrazowanie całego OUN larw w rozdzielczości subkomórkowej i podsekundowej, co czyni larwy Drosophila idealnym modelem do oceny aktywności neuronalnej w całym OUN w percepcyjnym podejmowaniu decyzji” – stwierdzili badacze.
„To, co widzieliśmy, to że kiedy stymulujemy neurony czuciowe, które wykrywają szkodliwe bodźce, całkiem sporo regionów mózgu zapala się w ciągu kilku sekund”, powiedział Yujia Hu, PhD, badacz w LSI i jeden z głównych autorów badania. „Ale te regiony mózgu pełnią różne funkcje. Niektóre z nich natychmiast przetwarzają informacje sensoryczne, niektóre wywołują zachowania – ale niektóre są bardziej dla tego procesu transformacji, który zachodzi pomiędzy nimi.”
Badania wykazały, że kiedy neurony czuciowe wykrywają szkodliwe bodźce zewnętrzne, wysyłają informacje do neuronów drugiego rzędu w ośrodkowym układzie nerwowym. Jeden region układu nerwowego w szczególności, zwany tylnym rdzeniem przyśrodkowym, został znaleziony, aby odpowiedzieć na informacje sensoryczne albo przez wyciszenie mniej intensywnych sygnałów, lub wzmocnienie bardziej intensywnych sygnałów, skutecznie sortując gradient wejść sensorycznych do kategorii „reaguj” lub „nie reaguj”.
Sygnały w ten sposób stają się wzmocnione przez zwiększoną rekrutację neuronów drugiego rzędu do sieci neuronowej – co badacze określają jako eskalowane wzmocnienie. Łagodny bodziec może aktywować dwa neurony drugiego rzędu, na przykład, podczas gdy bardziej intensywny bodziec może aktywować 10 neuronów drugiego rzędu w sieci. Ten większa sieć może wtedy wywołać behawioralną odpowiedź.
Ale aby podjąć decyzję „tak/nie”, układ nerwowy potrzebuje sposobu nie tylko na wzmocnienie informacji (dla odpowiedzi „tak”), ale także na stłumienie niepotrzebnych lub mniej szkodliwych informacji (dla odpowiedzi „nie”). „Nasz system sensoryczny wykrywa i mówi nam o wiele więcej, niż zdajemy sobie sprawę” – powiedział Ye, który jest również profesorem biologii komórki i rozwoju w U-M Medical School. „Potrzebujemy sposobu, aby wyciszyć te informacje, albo po prostu stale mielibyśmy wykładnicze wzmocnienie.”
Używając obrazowania 3D, badacze odkryli, że neurony czuciowe faktycznie wykrywają mniej szkodliwe bodźce, ale te informacje są filtrowane przez tylny rdzeń przyśrodkowy, poprzez uwalnianie substancji chemicznej, która tłumi komunikację między neuronami. W efekcie sieć neuronowa tłumi sygnały neuronowe wywołane przez „słabsze” bodźce, a wzmacnia te wywołane przez bodźce intensywne. „… pozwalając zwierzętom ignorować słabe bodźce i uciekać tylko przed prawdziwymi szkodami.”
Mechanizm ten skutecznie zwiększa dokładność w podejmowaniu przez zwierzęta decyzji o tym, czy uciec przed szkodliwymi bodźcami, czy nie. „W tym badaniu identyfikujemy sieć neuronową, która kategoryzuje bodźce toksyczne o stopniowanej intensywności w celu wygenerowania binarnych decyzji o ucieczce w larwach Drosophila, i odsłaniamy mechanizm bramkowanego wzmocnienia, który leży u podstaw takiej binarnej kategoryzacji” – podsumowują autorzy. „W odpowiedzi na bodźce noxious, podczas gdy niepowodzenie w szybkich odpowiedzi może spowodować szkody, nadmierne odpowiedzi ucieczki do nieistotnych bodźców doprowadziłoby do utraty zasobów do przetrwania. Bramkowany mechanizm wzmocnienia może zmniejszyć odpowiedzi na nieistotne bodźce, podczas gdy wzmocnienie odpowiedzi na intensywne bodźce. W ten sposób, dokładność w podejmowaniu decyzji, czy uciec od bodźców jest wzmocnione.”
.