Neurolodzy odkryli komórki mózgowe tworzące wiele układów współrzędnych, które informują nas, „gdzie jesteśmy” na podstawie sekwencji zachowań. Komórki te mogą odtwarzać różne sekwencje działań, tak jak pozytywka może być skonfigurowana do odtwarzania różnych sekwencji dźwięków. Odkrycia pomagają nam zrozumieć algorytmy wykorzystywane przez mózg do elastycznego generowania złożonych zachowań, takich jak planowanie i rozumowanie, i mogą być przydatne w zrozumieniu, dlaczego takie procesy przebiegają nieprawidłowo w schorzeniach psychicznych, takich jak schizofrenia.
Badanie, opublikowane dzisiaj w Natura, opisuje, jak naukowcy z Sainsbury Wellcome Center na UCL i Uniwersytecie Oksfordzkim badali myszy uczące się różnych sekwencji zachowań, ale o tej samej strukturze. Pozwoliło to zespołowi odkryć, w jaki sposób myszy generalizują struktury do nowych zadań, co jest cechą charakterystyczną inteligentnego zachowania.
„Każdego dnia rozwiązujemy nowe problemy, uogólniając naszą wiedzę. Weźmy na przykład gotowanie. Stojąc przed nowym przepisem, możesz wykorzystać swoją podstawową wiedzę na temat podobnych przepisów, aby wywnioskować, jakie kroki są potrzebne, nawet jeśli nigdy tego nie robiłeś Chcieliśmy szczegółowo zrozumieć, w jaki sposób mózg to osiąga, a także wywnioskować z tej aktywności mózgu algorytmy stosowane do rozwiązania tego problemu” – skomentował dr Mohamady El Gaby, pierwszy autor badania i neurolog ze stopniem doktora w Uniwersytecie Wrocławskim. w laboratorium Behrensa w Sainsbury Wellcome Center na UCL i na Wydziale Neurologii Klinicznej Nuffield na Uniwersytecie Oksfordzkim.
Naukowcy wyznaczyli myszom serię czterech docelowych lokalizacji. Chociaż szczegóły sekwencji były różne, ogólna struktura była taka sama. Myszy przemieszczały się pomiędzy lokalizacjami celów (ABC i D), co powtarzało się w pętli.
„Po doświadczeniu wystarczającej liczby sekwencji myszy zrobiły coś niezwykłego — odgadły część sekwencji, której nigdy wcześniej nie doświadczyły. Kiedy po raz pierwszy dotarły do D w nowym miejscu, wiedziały, że muszą wrócić prosto do A. Ta czynność mogła nie zostały zapamiętane, ponieważ nigdy wcześniej tego nie doświadczono! Zamiast tego jest to dowód na to, że myszy znają ogólną strukturę zadania i potrafią śledzić swoją „pozycję” według współrzędnych behawioralnych” – wyjaśnił dr El Gaby.
Aby zrozumieć, w jaki sposób myszy nauczyły się ogólnej struktury zadania, naukowcy wykorzystali sondy krzemowe, które pozwoliły im rejestrować aktywność wielu pojedynczych komórek z obszaru mózgu zwanego przyśrodkową korą czołową. Odkryli, że komórki wspólnie mapowały „postęp do celu” zwierzęcia. Na przykład jedna komórka może wystrzelić, gdy zwierzę osiągnie 70% drogi do celu, niezależnie od tego, gdzie jest cel i jak daleko potrzeba, aby go osiągnąć.
„Odkryliśmy, że komórki śledziły pozycję behawioralną zwierzęcia w odniesieniu do konkretnych działań. Jeśli pomyślimy o analogii do gotowania, komórkom zależy na postępie w osiąganiu celów cząstkowych, takich jak siekanie warzyw. Podzbiór komórek został również dostrojony, aby mapować postęp w realizacji Dlatego też komórki „postępu celu” skutecznie działają jak elastyczne elementy składowe, które łączą się, tworząc behawioralny układ współrzędnych” – stwierdziła dr El Gaby.
W efekcie zespół odkrył, że komórki tworzą wiele układów współrzędnych, z których każdy informuje zwierzę, gdzie się znajduje w odniesieniu do określonego działania. Podobnie jak pozytywka, którą można skonfigurować tak, aby odtwarzała dowolną sekwencję dźwięków, mózg może zamiast tego „odtwarzać” działania behawioralne.
Zespół pracuje obecnie nad zrozumieniem, w jaki sposób te wzorce aktywności są wbudowane w połączenia mózgu, zarówno podczas uczenia się nowych zachowań, jak i tego, jak zaczynają się one pojawiać w rozwijającym się mózgu. Ponadto wczesne prace grupy i jej współpracowników sugerują, że u zdrowych ludzi podobna aktywność mózgu występuje w równoważnych obwodach. Zachęciło to zespół do współpracy z psychiatrami, aby zrozumieć, jak na te procesy wpływają choroby takie jak schizofrenia, o której wiadomo, że angażują te same obwody mózgowe. Może to pomóc wyjaśnić, dlaczego osoby chore na schizofrenię przeceniają swój postęp w osiąganiu celów, co prowadzi do urojeń.
Badania te były wspierane przez stypendium doktoranckie Wellcome Trust (220047/Z/19/Z), stypendium Wellcome Lead Research Fellowship (219525/Z/19/Z), nagrodę Wellcome Collaborator (214314/Z/18/Z), Wellcome Center w przypadku Integrative Neuroimaging and Wellcome Center for Human Neuroimaging, podstawowe finansowanie z Wellcome Trust (203139/Z/16/Z, 203147/Z/16/Z), stypendium podoktorskie Sir Henry Wellcome Post-doktoranckie (222817/Z/21/Z) , Gatsby Charitable Foundation, nagrodę za rozwój kariery Wellcome Trust (225926/Z/22/Z) oraz fundusz powierniczy Wellcome Trust SRF (202831/Z/16/Z).
