Po raz pierwszy naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine odkryli podstawowe mechanizmy, dzięki którym region hipokampu w mózgu organizuje wspomnienia w sekwencje i jak można to wykorzystać do planowania przyszłych zachowań. Odkrycie może być krytycznym wczesnym krokiem w kierunku zrozumienia zaburzeń pamięci w zaburzeniach poznawczych, takich jak choroba Alzheimera i inne formy demencji.
Łącząc techniki zapisu elektrofizjologicznego u gryzoni ze statystyczną analizą uczenia maszynowego ogromnych zbiorów danych, naukowcy z UCI odkryli dowody sugerujące, że sieć hipokampowa koduje i zachowuje progresje doświadczeń, aby pomóc w podejmowaniu decyzji. Praca zespołu jest tematem artykułu opublikowanego niedawno w Nature Communications.
„Nasz mózg dość dobrze rejestruje, kiedy pojawiają się określone doświadczenia lub zdarzenia. Ta zdolność pomaga nam funkcjonować w codziennym życiu, ale przed tym badaniem nie mieliśmy jasnego pojęcia o mechanizmach neuronalnych stojących za tymi procesami” – powiedział korespondent. autor Norbert Fortin, profesor nadzwyczajny neurobiologii i behawioru UCI. „To, co łączy się ze wszystkimi, polega na tym, że ten rodzaj pamięci jest silnie osłabiony w różnych zaburzeniach neurologicznych lub po prostu z wiekiem, więc naprawdę musimy wiedzieć, jak działa ta funkcja mózgu”.
Projekt, którego ukończenie zajęło ponad trzy lata, obejmował fazy eksperymentalne i analizę danych. Naukowcy monitorowali aktywację neuronów w mózgach szczurów, które przeszły serię testów identyfikacji zapachów. Prezentując pięć różnych zapachów w różnych sekwencjach, naukowcy byli w stanie zmierzyć zwierzętom pamięć prawidłowej sekwencji i wykryć, w jaki sposób ich mózgi uchwyciły te sekwencyjne zależności.
„Analogia, o której bym pomyślał, to obliczenia” – powiedział Fortin. „Gdybym miał umieścić elektrody w twoim mózgu – nie możemy; dlatego używamy szczurów – mógłbym zobaczyć, które komórki strzelają, a które nie działają w danym momencie. To daje nam pewien wgląd w to, w jaki sposób mózg reprezentuje i oblicza informacje. Kiedy rejestrujemy wzorce aktywności w strukturze, to tak, jakbyśmy widzieli zera i jedynki w komputerze”.
Uzyskiwane w odstępach milisekundowych przez kilka minut pomiary aktywności i braku aktywności neuronalnej przedstawiają dynamiczny obraz funkcjonowania mózgu. Fortin powiedział, że on i jego koledzy pod pewnymi względami byli w stanie „czytać w myślach” swoich poddanych, obserwując „kodowanie” ogniw – które z nich strzelały, a które nie – w szybkich odstępach czasu.
„Kiedy myślisz o czymś, to porusza się szybko” – powiedział. „Nie utknąłeś w tym wspomnieniu na długo. W tej chwili jest ono reprezentowane, ale możemy zobaczyć, jak to się zmienia bardzo szybko”.
Fortin wcześnie wiedział, że odczyty aktywności hipokampa dadzą ogromne ilości surowych danych. Od początkowych etapów projektu angażował się w udział statystyków w Szkole Informatyki i Informatyki im. Donalda Brena.
„Pytania z dziedziny neuronauki, które mieliśmy w tym czasie w moim laboratorium, były zbyt zaawansowane, jak na wiedzę statystyczną, którą posiadaliśmy. Dlatego potrzebowaliśmy zaangażować partnerów z doświadczeniem w zakresie nauki o danych” – powiedział Fortin.
„Te powstające badania neurologiczne opierają się na metodach analizy danych ze względu na złożoność ich danych” – powiedział starszy współautor Babak Shahbaba, członek kanclerza UCI i profesor statystyki. „Aktywność mózgu jest rejestrowana w skali milisekundowej, a te eksperymenty trwają dłużej niż godzinę, więc możesz sobie wyobrazić, jak szybko rośnie ilość danych. Dochodzi do tego, że neuronaukowcy potrzebują bardziej zaawansowanych technik, aby osiągnąć to, co sobie wyobrażali, ale nie byli nie jest w stanie zaimplementować”.
Zauważył, że kiedy neurony kodują informacje, takie jak wspomnienia, naukowcy mogą rzucić okiem na ten proces, badając wzór impulsowej aktywności we wszystkich zarejestrowanych neuronach, znanych łącznie jako zespół.
„Odkryliśmy, że możemy traktować te wzorce neuronowe jako obrazy, a to odblokowało naszą zdolność do stosowania metod głębokiego uczenia maszynowego” – powiedział Shahbaba. „Przeanalizowaliśmy dane za pomocą splotowej sieci neuronowej, która jest metodologią stosowaną często w aplikacjach do przetwarzania obrazu, takich jak rozpoznawanie twarzy”.
W ten sposób naukowcy byli w stanie rozszyfrować odpalanie neuronów w celu odzyskania informacji.
„Wiemy, jak wygląda sygnatura dla zapachu B, tak jak znamy sygnatury dla A, C i D” – powiedział Fortin. „Z tego powodu możesz zobaczyć, kiedy te podpisy pojawiają się ponownie w innym momencie, na przykład gdy nasi badani przewidują coś, co jeszcze się nie wydarzy. Widzimy, jak te podpisy są szybko odtwarzane, gdy myślą o przyszłości ”.
Shahbaba powiedział, że narzędzia i metodologie opracowane podczas tego projektu można zastosować do wielu różnych problemów, a Fortin może rozszerzyć swoją linię badań na inne obszary mózgu.
Badanie jest przykładem siły badań konwergencji w instytucjach takich jak UCI, Shahbaba powiedział: „Mogłem bezpośrednio zobaczyć różnicę, jaką to robi dla naszych studentów. Naukowcy z grupy neuronauk Norberta biorą udział w zajęciach z nauki o danych i mogą teraz zadać kilka naprawdę ważne kwestie naukowe, których nie mogli zbadać w przeszłości, a moi uczniowie myślą fundamentalnie o metodzie naukowej w bezprecedensowy sposób”.
Dodał: „Dzięki tej współpracy szkolimy kolejne pokolenie naukowców, którzy posiadają wymagane umiejętności do prowadzenia interdyscyplinarnych badań”.
Do projektu Fortina i Shahbaby dołączył Pierre Baldi, wybitny profesor informatyki UCI; Lingge Li, który uzyskał doktorat. w statystykach UCI w 2020 r.; Forest Agostinelli, który uzyskał tytuł doktora. w 2019 roku doktoryzował się z informatyki na UCI, a obecnie jest adiunktem na Uniwersytecie Południowej Karoliny; Mansi Saraf i Keiland Cooper, dr UCI studenci neurobiologii i behawioru; Derenik Haghverdian, dr UCI student statystyki; oraz Gabriel Elias, naukowiec zajmujący się projektami podoktoranckimi w UCI. Finansowanie zostało zapewnione przez National Institutes of Health, National Science Foundation i Whitehall Foundation.