Οι νευρώνες που πυροδοτούνται μαζί μερικές φορές συνδέονται μεταξύ τους. PASIEKA/Science Photo Library via Getty Images
Κάθε μέρα, οι άνθρωποι μαθαίνουν συνεχώς και σχηματίζουν νέες αναμνήσεις. Όταν ξεκινάτε ένα νέο χόμπι, δοκιμάζετε μια συνταγή που σας συνέστησε ένας φίλος ή διαβάζετε τα τελευταία νέα του κόσμου, ο εγκέφαλός σας αποθηκεύει πολλές από αυτές τις αναμνήσεις για χρόνια ή δεκαετίες.
Αλλά πώς ο εγκέφαλός σας επιτυγχάνει αυτό το απίστευτο κατόρθωμα;
Στην πρόσφατα δημοσιευμένη έρευνά στο περιοδικό Science, οι επιστήμονες εντοπίσαν μερικούς από τους «κανόνες» που χρησιμοποιεί ο εγκέφαλος για να μάθει.
Ο ανθρώπινος εγκέφαλος αποτελείται από δισεκατομμύρια νευρικά κύτταρα. Αυτοί οι νευρώνες άγουν ηλεκτρικούς παλμούς που μεταφέρουν πληροφορίες, όπως οι υπολογιστές χρησιμοποιούν δυαδικό κώδικα για τη μεταφορά δεδομένων.
Αυτοί οι ηλεκτρικοί παλμοί επικοινωνούν με άλλους νευρώνες μέσω συνδέσεων μεταξύ τους που ονομάζονται συνάψεις.
Οι μεμονωμένοι νευρώνες έχουν επεκτάσεις διακλάδωσης γνωστές ως δενδρίτες που μπορούν να λάβουν χιλιάδες ηλεκτρικές εισόδους από άλλα κύτταρα. Οι δενδρίτες μεταδίδουν αυτές τις εισόδους στο κύριο σώμα του νευρώνα, όπου στη συνέχεια ενσωματώνει όλα αυτά τα σήματα για να παράγει τους δικούς του ηλεκτρικούς παλμούς.
Neurons are the basic units of the brain. OpenStax, CC BY-SA
Είναι η συλλογική δραστηριότητα αυτών των ηλεκτρικών παλμών σε συγκεκριμένες ομάδες νευρώνων που σχηματίζουν τις αναπαραστάσεις διαφορετικών πληροφοριών και εμπειριών μέσα στον εγκέφαλο.
Οι νευρώνες είναι οι βασικές μονάδες του εγκεφάλου
Για δεκαετίες, οι νευροεπιστήμονες πίστευαν ότι ο εγκέφαλος μαθαίνει αλλάζοντας τον τρόπο με τον οποίο οι νευρώνες συνδέονται μεταξύ τους. Καθώς νέες πληροφορίες και εμπειρίες μεταβάλλουν τον τρόπο με τον οποίο οι νευρώνες επικοινωνούν μεταξύ τους και αλλάζουν τα συλλογικά πρότυπα δραστηριότητάς τους, ορισμένες συναπτικές συνδέσεις γίνονται ισχυρότερες, ενώ άλλες γίνονται πιο αδύναμες.
Αυτή η διαδικασία της συναπτικής πλαστικότητας είναι αυτή που παράγει αναπαραστάσεις νέων πληροφοριών και εμπειριών μέσα στον εγκέφαλό σας.
Ωστόσο, προκειμένου ο εγκέφαλός σας να παράγει τις σωστές αναπαραστάσεις κατά τη διάρκεια της μάθησης, οι σωστές συναπτικές συνδέσεις πρέπει να υποστούν τις σωστές αλλαγές την κατάλληλη στιγμή. Οι «κανόνες» που χρησιμοποιεί ο εγκέφαλός σας για να επιλέξει ποιες συνάψεις θα αλλάξει κατά τη διάρκεια της μάθησης – αυτό που οι νευροεπιστήμονες αποκαλούν πρόβλημα ανάθεσης πίστωσης – παρέμειναν σε μεγάλο βαθμό ασαφείς.
Καθορισμός των κανόνων
Οι ερευνητές παρακολουθήσαν τη δραστηριότητα των μεμονωμένων συναπτικών συνδέσεων μέσα στον εγκέφαλο κατά τη διάρκεια της μάθησης για να εντοπίσουν μοτίβα δραστηριότητας που καθορίζουν ποιες συνδέσεις θα ισχυροποιήθουν ή θα ασθενήσουν.
Για να γίνει αυτό, κωδικοποίησαν γενετικά βιοαισθητήρες στους νευρώνες ποντικών που ενεργοποιούνται ως απάντηση στη συναπτική και νευρική δραστηριότητα. Παρακολουθήσαν αυτή τη δραστηριότητα σε πραγματικό χρόνο, καθώς τα ποντίκια μάθαιναν μια εργασία που περιελάμβανε το πάτημα ενός μοχλού σε μια συγκεκριμένη θέση μετά από ένα ηχητικό σήμα για να λάβουν νερό.
Τα αποτελέσματα τους εξέπληξαν καθώς διαπίστωσαν ότι οι συνάψεις σε έναν νευρώνα δεν ακολουθούν όλες τον ίδιο κανόνα. Για παράδειγμα, μέχρι πρότεινος θεωρούσαμε ότι οι νευρώνες ακολουθούν τους λεγόμενους κανόνες Hebbian, σύμφωνα με τους οποίους οι νευρώνες που ενεργοποιούνται σταθερά μαζί, συνδέονται μεταξύ τους. Αντ ‘αυτού, ανακαλύφθηκε ότι οι συνάψεις σε διαφορετικές θέσεις δενδριτών του ίδιου νευρώνα ακολούθησαν διαφορετικούς κανόνες για να καθορίσουν εάν οι συνδέσεις ισχυροποιούνται ή ασθενούν. Ορισμένες συνάψεις τήρησαν τον παραδοσιακό κανόνα Hebbian όπου οι νευρώνες που πυροδοτούνται σταθερά μαζί ενισχύουν τις συνδέσεις τους. Άλλες συνάψεις έκαναν κάτι διαφορετικό και εντελώς ανεξάρτητο από τη δραστηριότητα του νευρώνα.
Τα ευρήματά δείχνουν ότι οι νευρώνες, χρησιμοποιώντας ταυτόχρονα δύο διαφορετικά σύνολα κανόνων για τη μάθηση σε διαφορετικές ομάδες συνάψεων, αντί για έναν ενιαίο ομοιόμορφο κανόνα, μπορούν να συντονίσουν με μεγαλύτερη ακρίβεια τους διαφορετικούς τύπους εισροών που λαμβάνουν για να αντιπροσωπεύουν κατάλληλα νέες πληροφορίες στον εγκέφαλο.
Με άλλα λόγια, ακολουθώντας διαφορετικούς κανόνες στη διαδικασία της μάθησης, οι νευρώνες μπορούν να εκτελούν πολλαπλές εργασίες και να εκτελούν πολλαπλές λειτουργίες παράλληλα.
Μελλοντικές εφαρμογές
Αυτή η ανακάλυψη παρέχει μια σαφέστερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αλλάζουν οι συνδέσεις μεταξύ των νευρώνων κατά τη διάρκεια της μάθησης. Δεδομένου ότι οι περισσότερες διαταραχές του εγκεφάλου, συμπεριλαμβανομένων των εκφυλιστικών και ψυχιατρικών παθήσεων, περιλαμβάνουν κάποια μορφή δυσλειτουργικών συνάψεων, αυτό έχει δυνητικά σημαντικές επιπτώσεις για την ανθρώπινη υγεία και την κοινωνία.
Για παράδειγμα, η κατάθλιψη μπορεί να αναπτυχθεί από μια υπερβολική αποδυνάμωση των συναπτικών συνδέσεων σε ορισμένες περιοχές του εγκεφάλου που καθιστούν δυσκολότερη την εμπειρία της ευχαρίστησης. Κατανοώντας πώς λειτουργεί κανονικά η συναπτική πλαστικότητα, οι επιστήμονες μπορεί να είναι σε θέση να κατανοήσουν καλύτερα τι πάει στραβά στην κατάθλιψη και στη συνέχεια να αναπτύξουν θεραπείες για την αποτελεσματικότερη αντιμετώπισή της.
Οι αλλαγές στις συνδέσεις στην αμυγδαλή – χρώματος πράσινου – εμπλέκονται στην κατάθλιψη. William J. Giardino / Luis de Lecea Lab / Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ μέσω NIH / Flickr, CC BY-NC
Αυτά τα ευρήματα μπορεί επίσης να έχουν επιπτώσεις στην τεχνητή νοημοσύνη. Τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα στα οποία βασίζεται η τεχνητή νοημοσύνη έχουν σε μεγάλο βαθμό εμπνευστεί από το πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος. Ωστόσο, οι κανόνες μάθησης που χρησιμοποιούν οι ερευνητές για να ενημερώσουν τις συνδέσεις εντός των δικτύων και να εκπαιδεύσουν τα μοντέλα είναι συνήθως ομοιόμορφοι και επίσης δεν είναι βιολογικά εύλογοι. Η έρευνά μας μπορεί να παρέχει πληροφορίες σχετικά με τον τρόπο ανάπτυξης πιο βιολογικά ρεαλιστικών μοντέλων AI που είναι πιο αποτελεσματικά, έχουν καλύτερη απόδοση ή και τα δύο.
Υπάρχει ακόμα πολύς δρόμος πριν μπορέσουμε να χρησιμοποιήσουμε αυτές τις πληροφορίες για να αναπτύξουμε νέες θεραπείες για τις διαταραχές του ανθρώπινου εγκεφάλου. Ενώ διαπιστώσαμε ότι οι συναπτικές συνδέσεις σε διαφορετικές ομάδες δενδριτών χρησιμοποιούν διαφορετικούς κανόνες μάθησης, δεν γνωρίζουμε ακριβώς γιατί ή πώς. Επιπλέον, ενώ η ικανότητα των νευρώνων να χρησιμοποιούν ταυτόχρονα πολλαπλές μεθόδους μάθησης αυξάνει την ικανότητά τους να κωδικοποιούν πληροφορίες, ποιες άλλες ιδιότητες μπορεί να τους δώσει αυτό δεν είναι ακόμη σαφές.
Η μελλοντική έρευνα ελπίζουμε ότι θα απαντήσει σε αυτά τα ερωτήματα και θα προωθήσει την κατανόησή μας για το πώς μαθαίνει ο εγκέφαλος.
Μετάφραση – απόδοση απο το πρωτότυπο: Κων/νος Μπλέτσος
William Wright, Postdoctoral Scholar in Neurobiology, University of California, San Diego and Takaki Komiyama, Professor of Neurobiology, University of California, San Diego
This article is republished from The Conversation under a Creative Commons license. Read the original article.