Szum neuronowy pomaga w nauce 30.03.2015

Dwadzieścia lat temu neuronaukowcy ze Stanford odkryli dziwną aktywność szumu w niektórych neuronach mózgu: reagowały na bodźce, które wydawały się nie mieć z nimi nic wspólnego. A taka aktywność pojawiła się właśnie wtedy, gdy mózg podjął decyzję. Sam eksperyment wyglądał następująco: zwierzęta doświadczalne musiały określić, jak poruszają się kropki na ekranie, od prawej do lewej lub od lewej do prawej; w przypadku poprawnej odpowiedzi przyznano nagrodę. Za pomocą takiego modelu można badać, jakie procesy w mózgu towarzyszą tworzeniu kategorii. Kategoryzacja obiektów i zjawisk jest jedną z najogólniejszych cech psychiki leżącej u podstaw uczenia się i naprawdę byłoby interesujące wiedzieć, co dzieje się w tym momencie w mózgu. W tym przypadku, jak łatwo zrozumieć, konieczne było rozróżnienie dwóch klas obiektów: poruszających się w jednym kierunku i poruszających się w przeciwnym kierunku.

W efekcie udało się znaleźć grupę neuronów, które reagują na ruch, a wśród nich znalazły się te, które w momencie podejmowania decyzji stały się szczególnie aktywne. Jednak ich aktywność wyglądała tak, jakby niektóre komórki krzyczały „od prawej do lewej!” w odpowiedzi na punkt, podczas gdy inne krzyczały „od lewej do prawej!” w odpowiedzi na ten sam punkt, niezależnie od tego, gdzie faktycznie porusza się punkt. Poziom szumu został zredukowany za pomocą nagrody za poprawną odpowiedź - dostroiło to neurony, czyniąc je bardziej wybrednymi i mniej hałaśliwymi, tak że zaczęły reagować głównie tylko na punkty jednej, "swojej" kategorii. Szczególnie dziwne było to, że szum neuronowy w ogóle nie występował w tych obszarach kory mózgowej, które zwykle kojarzą się z podejmowaniem decyzji.

Dlaczego neurony są hałaśliwe w „nie-rdzeniowej” części mózgu, udało nam się częściowo dowiedzieć się dopiero teraz, za pomocą modelu komputerowego opracowanego przez Tatianę Engel i jej współpracowników; wyniki ich pracy są publikowane w Nature Communications. Model naśladował pracę obwodów neuronowych, które łączą obszary czuciowe mózgu z obszarami kategoryzującymi. Wirtualne neurony „obserwowały” punkty, które poruszały się w różnych kierunkach i które należało podzielić na te same dwie klasy, „prawą” i „lewą” – jak w oryginalnym eksperymencie ze zwierzętami.

Symulowany obwód neuronowy, w przeciwieństwie do prawdziwego, może zostać pozbawiony zdolności do wytwarzania hałasu, co zrobili naukowcy. Okazało się jednak, że bez neuronowego szumu towarzyszącego wyborowi tworzenie kategorii jest niemożliwe. Innymi słowy, aby w umyśle powstała klasa punktów poruszających się od prawej do lewej, mózg musi dokonać wyboru w „hałaśliwych” warunkach, kiedy niektóre neurony będą jednocześnie „agitować” za błędną odpowiedzią. Jeśli zignorujemy punkty i wybierzemy bardziej realistyczny przykład, wyobraź sobie, że każdego ranka wybierasz między filiżanką kawy a filiżanką herbaty. Każdego dnia dokonujesz wyboru przez tydzień, dwa tygodnie, miesiąc, sześć miesięcy i w końcu dochodzisz do wniosku, że poranna kawa jest dokładnie tym, czego potrzebujesz. Ale jeśli nagle zdarzy się, że twój mózg dokona wyboru bez żadnego hałasu, to po prostu nie stworzysz związku między porannymi godzinami a kawą, sama koncepcja porannej kawy będzie nieobecna.

Oczywiście istnieje tu wielka pokusa, by zinterpretować szum neuronowy jako „wątpliwość” lub „konieczność rozważenia wszystkich możliwych rozwiązań”. Jednak takie sformułowania należą raczej do dziedziny filozofii, której trudno do tej pory skorelować z konkretnymi zjawiskami neurofizjologicznymi. Równie dobrze może się jednak okazać, że nowe dane w przyszłości pozwolą na stworzenie pewnych metod sprzętowych poprawiających zdolności poznawcze – poprzez zarządzanie szumem neuronowym. Ale na razie okaże się, skąd tak naprawdę pochodzi: czy to działy sensoryczne go generują, czy też jest wytwarzane przez inne obszary mózgu, które są bezpośrednio związane z podejmowaniem decyzji, czy też zarówno sensoryczne, jak i poznawcze. zaangażowane są tutaj departamenty.