En forskargrupp under ledning av University of Michigan har upptäckt ett neuralt nätverk som gör det möjligt för Drosophila melanogaster-fruktflugor att omvandla yttre stimuli av olika intensitet till ett ”ja eller nej”-beslut om när de ska agera. Forskningen, som beskrivs i Current Biology, hjälper till att avkoda den biologiska mekanism som fruktflugans nervsystem använder för att omvandla en gradient av sensorisk information till ett binärt beteendesvar. Resultaten ger nya insikter som kan vara relevanta för hur sådana beslut fungerar hos andra arter, och skulle möjligen till och med kunna tillämpas för att hjälpa maskiner inom artificiell intelligens att lära sig att kategorisera information.
Den främsta författaren till studien, Bing Ye, PhD, som är fakultetsmedlem vid University of Michigan Life Science Institute (LSI), anser att den mekanism som avslöjats skulle kunna ha långtgående tillämpningar. ”Det finns en dominerande idé inom vårt område att dessa beslut fattas genom ackumulering av bevis, vilket tar tid”, säger Ye. ”I den biologiska mekanism som vi hittade är nätverket kopplat på ett sådant sätt att det inte behöver någon ackumulationsfas av bevis. Vi vet inte ännu, men vi undrar om detta kan fungera som en modell för att hjälpa AI att lära sig att sortera information snabbare.”
Ye och kollegor beskriver sin forskning i en artikel med titeln ”A Neural Basis for Categorizing Sensory Stimuli to Enhance Decision Accuracy.”
Föreställ dig att du arbetar nära ett öppet fönster. Om bullret utifrån är lågt kan det vara knappt märkbart. Men när bullernivån gradvis ökar börjar det bli mer märkbart, och så småningom fattar hjärnan ett beslut om huruvida man ska resa sig upp och stänga fönstret. Så hur översätter nervsystemet denna gradvisa, linjära ökning av intensiteten till ett binärt ”ja/nej”-beteendebeslut? ”Medan sensoriska stimuli vanligtvis förekommer i breda och graderade intensitetsintervall är djurens beslut om huruvida de ska reagera på stimuli ofta binära”, konstaterade författarna. ”En grundläggande fråga inom neurovetenskapen är hur sådana graderade till binära omvandlingar i det perceptuella beslutsfattandet sker i det centrala nervsystemet (CNS).” Som neurovetaren Ye påpekade: ”Det är en riktigt stor fråga. Mellan den sensoriska inmatningen och beteendeutgången finns en liten ’svart låda’. Med den här studien ville vi öppna den lådan.”
Hjärnavbildning hos människor eller andra däggdjur kan identifiera vissa regioner i hjärnan som reagerar på vissa stimuli. Men den stora storleken på däggdjurens centrala nervsystem kan vara en nackdel. ”Även om perceptuellt beslutsfattande främst har studerats hos däggdjur, begränsar den stora storleken på däggdjurs CNS den spatiotemporala upplösningen vid bedömningen av framväxande aktiviteter som omfattar hela CNS”, konstaterade författarna. För att avgöra hur och när neuronerna omvandlar linjär information till ett icke-linjärt beslut behövde de en mycket djupare, mer kvantitativ analys av nervsystemet, sade Ye.
Teamet valde att arbeta med modellorganismen Drosophila, för vilken tillgängliga genetiska verktyg gör det möjligt att identifiera enskilda neuroner som reagerar på stimuli. Med hjälp av en avbildningsteknik som upptäcker neuronal aktivitet genom kalciumsignalering mellan neuronerna kunde forskarna ta fram 3D-bilder av neuroaktivitet av flugornas hela centrala nervsystem. ” … den lilla storleken på Drosophila-larvens CNS, i kombination med de senaste framstegen med genetiskt kodade kalciumindikatorer (GECI), möjliggör funktionell avbildning av hela larvens CNS med subcellulär och subsekundsupplösning, vilket gör Drosophila-larverna till en idealisk modell för att bedöma den CNS-täckande neurala aktiviteten vid perceptuellt beslutsfattande”, konstaterade forskarna.
”Det vi såg var att när vi stimulerar de sensoriska neuronerna som upptäcker skadliga stimuli, lyser ganska många hjärnregioner upp inom några sekunder”, säger Yujia Hu, PhD, forskare vid LSI och en av huvudförfattarna till studien. ”Men dessa hjärnregioner utför olika funktioner. Vissa bearbetar omedelbart sensorisk information, vissa utlöser beteendeutfallet – men vissa är mer till för den här omvandlingsprocessen som sker däremellan.”
Studierna visade att när sensoriska neuroner upptäcker skadliga externa stimuli skickar de information till andra ordningens neuroner i det centrala nervsystemet. En region i nervsystemet i synnerhet, kallad den bakre mediala kärnan, visade sig reagera på sensorisk information genom att antingen dämpa mindre intensiva signaler eller förstärka mer intensiva signaler, vilket i praktiken sorterar en gradient av sensoriska inflöden i kategorierna ”svara” eller ”inte svara”.
Signalerna förstärks alltså genom ökad rekrytering av andra ordningens neuroner till det neurala nätverket – det som forskarna kallar för eskalerad förstärkning. Ett milt stimulus kan till exempel aktivera två neuroner av andra ordningen, medan ett mer intensivt stimulus kan aktivera 10 neuroner av andra ordningen i nätverket. Detta större nätverk kan sedan föranleda ett beteendesvar.
Men för att fatta ett ”ja/nej”-beslut behöver nervsystemet ett sätt att inte bara förstärka information (för ett ”ja”-svar), utan också för att undertrycka onödig eller mindre skadlig information (för ett ”nej”-svar). ”Vårt sensoriska system upptäcker och berättar mycket mer än vi tror”, säger Ye, som också är professor i cell- och utvecklingsbiologi vid U-M Medical School. ”Vi behöver ett sätt att tysta ner den informationen, annars skulle vi bara ständigt ha exponentiell förstärkning.”
Med hjälp av 3D-avbildningen fann forskarna att de sensoriska neuronerna faktiskt upptäcker de mindre skadliga stimuli, men att den informationen filtreras bort av den bakre mediala kärnan, genom frisättning av en kemikalie som undertrycker kommunikationen från neuron till neuron. I själva verket undertrycker det neurala nätverket neurala signaler som orsakas av ”svagare” skadliga stimuli och förstärker dem som orsakas av intensiva stimuli. ”… vilket gör att djuren kan ignorera svaga stimuli och fly endast från verkliga skador.”
Denna mekanism ökar effektivt noggrannheten i djurens beslut om huruvida de ska fly från skadliga stimuli eller inte. ”I den här studien identifierar vi ett neuralt nätverk som kategoriserar skadliga stimuli av graderad intensitet för att generera binära flyktbeslut i Drosophila-larver, och avslöjar en gated förstärkningsmekanism som ligger till grund för en sådan binär kategorisering”, konstaterade författarna. ”När man reagerar på de skadliga stimuli, medan misslyckade snabba reaktioner kan orsaka skada, skulle överdrivna flyktreaktioner på försumbara stimuli leda till förlust av resurser för överlevnad. Den gated förstärkningsmekanismen skulle kunna minska reaktionerna på försumbara stimuli samtidigt som den förstärker reaktionerna på intensiva stimuli. På så sätt ökar noggrannheten när det gäller att besluta om man ska fly från stimuli”
.