Jak uczymy się czegoś nowego? W jaki sposób zadania w nowej pracy, teksty do najnowszej przebojowej piosenki lub wskazówki do domu przyjaciela są zakodowane w naszych mózgach?
Powszechna odpowiedź brzmi, że nasze mózgi przechodzą adaptacje w celu uwzględnienia nowych informacji. Aby zastosować się do nowego zachowania lub zachować nowo wprowadzone informacje, przewożność mózgu ulega zmianie.
Takie modyfikacje są zorganizowane w trylionach synaps – połączenia między poszczególnymi komórkami nerwowymi, zwanymi neuronami – w których odbywa się komunikacja mózgu. W misternie skoordynowanym procesie nowe informacje powodują, że pewne synapsy stają się silniejsze wraz z nowymi danymi, podczas gdy inne stają się słabsze. Neuronaukowcy, którzy ściśle badali te zmiany, znane jako „plastyczność synaptyczna”, zidentyfikowali wiele procesów molekularnych powodujących taką plastyczność. Jednak zrozumienie „reguł” wybierania, które synapsy ulegają temu procesowi, pozostało nieznane, tajemnica, która ostatecznie decyduje o tym, jak poznają się informacje w mózgu.
Neurobiolodzy z University of California San Diego William „Jake” Wright, Nathan Hedrick i Takaki Komiyama odkryli teraz kluczowe szczegóły na temat tego procesu. Główne wsparcie finansowe dla tego wieloletniego badania zapewniło kilka dotacji National Institutes of Health Research i dotacja szkoleniowa.
Jak opublikowano 17 kwietnia w czasopiśmie Science, naukowcy zastosowali najnowocześniejszą metodologię wizualizacji mózgu, w tym obrazowanie dwufotonowe, aby powiększyć aktywność myszy mózgu i śledzić aktywność synaps i komórek neuronów podczas zajęć uczenia się. Dzięki możliwości widzenia indywidualnych synaps, jak nigdy dotąd, nowe obrazy ujawniły, że neurony nie przestrzegają jednego zestawu reguł podczas epizodów uczenia się, jak zakładano przy konwencjonalnym myśleniu. Dane ujawniły raczej, że poszczególne neurony są zgodne z wieloma regułami, z synapsami w różnych regionach zgodnie z różnymi regułami. Te nowe odkrycia mają na celu pomoc w wielu obszarach, od zaburzeń mózgu i zachowania po sztuczną inteligencję.
„Kiedy ludzie mówią o plastyczności synaptycznej, jest to zwykle uważane za jednolite w mózgu” – powiedział Wright, postoktorancki uczony w School of Biological Sciences i pierwszy autor badania. „Nasze badania zapewniają jasniejsze zrozumienie, w jaki sposób synapsy są modyfikowane podczas uczenia się, z potencjalnie ważnymi implikacjami zdrowotnymi, ponieważ wiele chorób w mózgu wiąże się z pewną postacią dysfunkcji synaptycznej”.
Neuronaukowcy starannie zbadali, w jaki sposób synapsy mają wyłącznie dostęp do własnych „lokalnych” informacji, ale wspólnie pomagają kształtować szerokie nowe wyuczone zachowania, garbata oznaczona jako „problem zadania kredytowego”. Problem jest analogiczny do poszczególnych mrówek, które pracują nad określonymi zadaniami bez wiedzy o celach całej kolonii.
Odkrycie, że neurony jednocześnie przestrzegają wielu zasad, zaskoczyło badaczy. Najnowocześniejsze metody zastosowane w badanym, pozwoliły im wizualizować dane wejściowe i wyniki zmian w neuronach podczas ich występowania.
„To odkrycie zasadniczo zmienia sposób, w jaki rozumiemy, w jaki sposób mózg rozwiązuje problem przydziału kredytowego, z koncepcją, że poszczególne neurony wykonują wyraźne obliczenia równolegle w różnych przedziałach subkomórkowych”, powiedział starszy autor Takaki Komiyama, rekompensat w oddziałach neurobiologii (School of Biological Hieces) i neurosciencje (School of Medicine), z umówieniem danych halıcıcı- Science institute i KAVLI i Instytutu dla KAVLI i KAVLI. Mózg i umysł.
Nowe informacje oferują obiecujące spostrzeżenia na temat przyszłości sztucznej inteligencji i mózgowych sieci neuronowych, na których działają. Zazwyczaj cała sieć neuronowa działa na wspólnym zestawie zasad plastyczności, ale badania te zawierają możliwe nowe sposoby projektowania zaawansowanych systemów AI przy użyciu wielu zasad w jednostkach pojedynczych.
W przypadku zdrowia i zachowania odkrycia mogą stanowić nowy sposób leczenia stanów, w tym uzależnienia, zaburzenia stresu pourazowego i choroby Alzheimera, a także zaburzeń neurorozwojowych takich autyzmu.
„Ta praca stanowi potencjalne podstawy próby zrozumienia, jak normalnie działa mózg, aby umożliwić nam lepsze zrozumienie, co dzieje się nie tak w tych różnych chorobach” – powiedział Wright.
Nowe ustalenia prowadzą obecnie naukowców na kursie, aby głębiej kopać, aby zrozumieć, w jaki sposób neurony są w stanie wykorzystać różne reguły jednocześnie i jakie korzyści przy użyciu wielu reguł dają im.