O echipă de cercetare condusă de Universitatea din Michigan a descoperit o rețea neuronală care permite muștelor Drosophila melanogaster să transforme stimulii externi de intensități diferite într-o decizie de tipul „da sau nu” cu privire la momentul în care trebuie să acționeze. Cercetarea, descrisă în Current Biology, ajută la descifrarea mecanismului biologic pe care sistemul nervos al muștei fructelor îl folosește pentru a converti un gradient de informații senzoriale într-un răspuns comportamental binar. Descoperirile oferă noi perspective care ar putea fi relevante pentru modul în care funcționează astfel de decizii la alte specii și ar putea chiar să fie aplicate pentru a ajuta mașinile de inteligență artificială să învețe să clasifice informațiile.
Autorul principal al studiului, Bing Ye, PhD, membru al facultății de la Institutul de Științe ale Vieții (LSI) al Universității din Michigan, consideră că mecanismul descoperit ar putea avea aplicații de anvergură. „Există o idee dominantă în domeniul nostru conform căreia aceste decizii sunt luate prin acumularea de dovezi, ceea ce necesită timp”, a declarat Ye. „În mecanismul biologic pe care l-am descoperit, rețeaua este conectată în așa fel încât nu are nevoie de o fază de acumulare de dovezi. Nu știm încă, dar ne întrebăm dacă acest lucru ar putea servi drept model pentru a ajuta inteligența artificială să învețe să sorteze informațiile mai rapid.”
Ye și colegii săi își descriu cercetarea într-o lucrare intitulată „A Neural Basis for Categorizing Sensory Stimuli to Enhance Decision Accuracy.”
Imaginați-vă că lucrați lângă o fereastră deschisă. Dacă zgomotul exterior este redus, acesta poate fi abia perceptibil. Dar, pe măsură ce nivelul de zgomot crește treptat, începe să devină mai vizibil și, în cele din urmă, creierul ia o decizie dacă să se ridice și să închidă fereastra. Așadar, cum traduce sistemul nervos această creștere graduală și liniară a intensității într-o decizie comportamentală binară, „da/nu”? „În timp ce stimulii senzoriali sunt de obicei prezenți în intervale largi și gradate de intensitate, deciziile animalelor de a răspunde sau nu la stimuli sunt adesea binare”, au remarcat autorii. „O întrebare fundamentală în neuroștiință este modul în care astfel de conversii de la gradat la binar în luarea deciziilor perceptuale au loc în sistemul nervos central (SNC).” După cum a subliniat neuroștiutorul Ye, „Este o întrebare foarte importantă. Între intrarea senzorială și ieșirea comportamentală există o mică „cutie neagră”. Cu acest studiu, am vrut să deschidem acea cutie.”
Imagistica cerebrală la om sau la alte mamifere poate identifica anumite regiuni ale creierului care răspund la anumiți stimuli. Dar dimensiunea mare a sistemului nervos central al mamiferelor poate fi un dezavantaj. „Deși luarea deciziilor perceptuale a fost studiată în principal la mamifere, dimensiunea mare a SNC al mamiferelor limitează rezoluția spațio-temporală în evaluarea activităților emergente la nivelul întregului SNC”, au notat autorii. Pentru a determina cum și când neuronii transformă informația liniară într-o decizie neliniară, au avut nevoie de o analiză mult mai profundă și mai cantitativă a sistemului nervos, a spus Ye.
Echipa a ales să lucreze cu organismul model Drosophila, pentru care instrumentele genetice disponibile fac posibilă identificarea neuronilor individuali care răspund la stimuli. Folosind o tehnică de imagistică care detectează activitatea neuronală prin intermediul semnalizării de calciu între neuroni, oamenii de știință au reușit să producă imagini 3D ale neuroactivității întregului sistem nervos central al muștelor. ” … dimensiunea mică a SNC al larvelor de Drosophila, combinată cu progresele recente în domeniul indicatorilor de calciu codificați genetic (GECI), permite obținerea de imagini funcționale ale întregului SNC al larvelor la o rezoluție subcelulară și subsecundă, ceea ce face din larvele de Drosophila un model ideal pentru evaluarea activității neuronale la nivelul întregului SNC în procesul de luare a deciziilor perceptuale”, au declarat cercetătorii.
„Ceea ce am văzut a fost că, atunci când stimulăm neuronii senzoriali care detectează stimulii dăunători, destul de multe regiuni ale creierului se aprind în câteva secunde”, a declarat Yujia Hu, doctor în științe, cercetător la LSI și unul dintre autorii principali ai studiului. „Dar aceste regiuni ale creierului îndeplinesc funcții diferite. Unele procesează imediat informațiile senzoriale, altele declanșează ieșirea comportamentală – dar unele sunt mai mult pentru acest proces de transformare care are loc între timp.”
Studiile au arătat că, atunci când neuronii senzoriali detectează stimulii externi nocivi, aceștia trimit informații către neuronii de ordinul doi din sistemul nervos central. S-a constatat că o regiune a sistemului nervos în special, numită nucleul medial posterior, răspunde la informațiile senzoriale fie prin mutarea semnalelor mai puțin intense, fie prin amplificarea semnalelor mai intense, triind efectiv un gradient de intrări senzoriale în categoriile „răspunde” sau „nu răspunde”.
Semnalurile se amplifică astfel prin recrutarea crescută a neuronilor de ordinul doi în rețeaua neuronală – ceea ce cercetătorii numesc amplificare escaladată. Un stimul ușor poate activa doi neuroni de ordinul doi, de exemplu, în timp ce un stimul mai intens poate activa 10 neuroni de ordinul doi din rețea. Această rețea mai mare poate declanșa apoi un răspuns comportamental.
Dar pentru a lua o decizie „da/nu”, sistemul nervos are nevoie de o modalitate nu doar de a amplifica informațiile (pentru un răspuns „da”), ci și de a suprima informațiile inutile sau mai puțin dăunătoare (pentru un răspuns „nu”). „Sistemul nostru senzorial detectează și ne spune mult mai multe decât ne dăm seama”, a declarat Ye, care este, de asemenea, profesor de biologie celulară și de dezvoltare în cadrul Școlii de Medicină a U-M. „Avem nevoie de o modalitate de a liniști aceste informații, altfel am avea în mod constant o amplificare exponențială.”
Utilizând imagistica 3D, cercetătorii au descoperit că neuronii senzoriali detectează, de fapt, stimulii mai puțin dăunători, dar aceste informații sunt filtrate de către nucleul medial posterior, prin eliberarea unei substanțe chimice care reprimă comunicarea de la neuron la neuron. De fapt, rețeaua neuronală suprimă semnalele neuronale cauzate de stimuli nocivi „mai slabi” și le amplifică pe cele cauzate de stimuli intensi. „… permițând animalelor să ignore stimulii slabi și să scape doar de daunele reale.”
Acest mecanism sporește efectiv acuratețea în deciziile animalelor de a scăpa sau nu de stimulii nocivi. „În acest studiu, identificăm o rețea neuronală care clasifică stimulii nocivi de intensități gradate pentru a genera decizii binare de evadare la larvele de Drosophila și dezvăluim un mecanism de amplificare gated care stă la baza unei astfel de clasificări binare”, au concluzionat autorii. „În răspunsul la stimulii nocivi, în timp ce eșecul în răspunsurile prompte poate provoca daune, răspunsurile de evadare excesive la stimuli neglijabili ar duce la pierderea resurselor pentru supraviețuire. Mecanismul de amplificare gated ar putea reduce răspunsurile la stimuli neglijabili, în timp ce ar spori răspunsurile la stimuli intensi. În acest fel, acuratețea în a decide dacă să scape sau nu de stimuli este îmbunătățită.”
.