Jako ludzie żyjemy swoimi myślami: od zastanawiania się, co zrobić na obiad, po marzenia o naszych ostatnich wakacjach na plaży.
Teraz badacze z kampusu badawczego Janelia Research Campus HHMI odkryli, że zwierzęta również posiadają wyobraźnię.
Zespół z laboratoriów Lee i Harris opracował nowatorski system łączący wirtualną rzeczywistość i interfejs mózg-maszyna w celu badania wewnętrznych myśli szczura.
Odkryli, że podobnie jak ludzie, zwierzęta potrafią myśleć o miejscach i przedmiotach, które nie znajdują się tuż przed nimi, wykorzystując swoje myśli do wyobrażenia sobie spaceru do określonego miejsca lub przenoszenia odległego obiektu w określone miejsce.
Podobnie jak u ludzi, gdy gryzonie doświadczają miejsc i zdarzeń, w hipokampie, obszarze mózgu odpowiedzialnym za pamięć przestrzenną, aktywowane są określone wzorce aktywności neuronowej. Nowe badanie wykazało, że szczury mogą dobrowolnie generować te same wzorce aktywności, aby przywołać odległe lokalizacje odległe od ich aktualnej pozycji.
„Szczur rzeczywiście może aktywować reprezentację miejsc w środowisku, nie wchodząc tam” – mówi Chongxi Lai, postdoc w laboratoriach Harrisa i Lee i pierwsza autorka artykułu opisującego nowe odkrycia. „Nawet jeśli jego ciało fizyczne jest nieruchome, jego myśli przestrzenne mogą skierować się w bardzo odległe miejsce”.
Zdolność wyobrażania sobie lokalizacji oddalonych od aktualnej pozycji ma fundamentalne znaczenie dla zapamiętywania przeszłych wydarzeń i wyobrażania sobie możliwych przyszłych scenariuszy. Dlatego też, zdaniem autorów badania, nowa praca pokazuje, że zwierzęta, podobnie jak ludzie, posiadają pewną formę wyobraźni.
„Wyobrażanie sobie to jedna z niezwykłych rzeczy, które potrafią ludzie. Teraz odkryliśmy, że zwierzęta też to potrafią i znaleźliśmy sposób, aby to zbadać” – mówi Albert Lee, wcześniej kierownik grupy w Janelia, a obecnie badacz HHMI w Beth Israel Deaconess Medical Center.
Nowatorski interfejs mózg-maszyna
Projekt rozpoczął się dziewięć lat temu, kiedy Lai przybyła do Janelii jako studentka z pomysłem sprawdzenia, czy zwierzę potrafi myśleć. Jego doradca, Janelia Senior Fellow Tim Harris, zasugerował Lai, aby poszła korytarzem i porozmawiała z Lee, którego laboratorium miało podobne pytania.
Laboratoria wspólnie pracowały nad opracowaniem systemu pozwalającego zrozumieć, co myślą zwierzęta – działającego w czasie rzeczywistym „detektora myśli”, który mógłby mierzyć aktywność neuronową i tłumaczyć jej znaczenie.
System wykorzystuje interfejs mózg-maszyna (BMI), który zapewnia bezpośrednie połączenie pomiędzy aktywnością mózgu a urządzeniem zewnętrznym. W systemie opracowanym przez zespół BMI tworzy połączenie między aktywnością elektryczną hipokampa szczura a jego pozycją w 360-stopniowej przestrzeni wirtualnej rzeczywistości.
Hipokamp przechowuje mentalne mapy świata związane z przywoływaniem przeszłych wydarzeń i wyobrażaniem sobie przyszłych scenariuszy. Przywoływanie pamięci obejmuje generowanie specyficznych wzorców aktywności hipokampa związanych z miejscami i wydarzeniami. Nikt jednak nie wiedział, czy zwierzęta mogą dobrowolnie kontrolować tę działalność.
BMI pozwala naukowcom sprawdzić, czy szczur może aktywować aktywność hipokampa, aby po prostu myśleć o miejscu na arenie, bez konieczności fizycznego odwiedzania go – zasadniczo sprawdzając, czy zwierzę jest w stanie wyobrazić sobie udanie się w to miejsce.
Sondowanie wewnętrznych myśli szczura
Po opracowaniu systemu badacze musieli stworzyć „słownik myśli”, który umożliwiłby im dekodowanie sygnałów mózgowych szczura. Słownik ten kompiluje, jak wyglądają wzorce aktywności, gdy szczur czegoś doświadcza – w tym przypadku miejsc na arenie VR.
Szczur jest zaprzęgnięty w system VR zaprojektowany przez Shinsuke Tanakę, postdoktora w Lee Lab. Gdy szczur chodzi po sferycznej bieżni, jego ruchy są tłumaczone na 360-stopniowym ekranie. Szczur zostaje nagrodzony, gdy dotrze do celu.
Jednocześnie system BMI rejestruje aktywność hipokampa szczura. Naukowcy mogą zobaczyć, które neurony są aktywowane, gdy szczur porusza się po arenie, aby osiągnąć każdy cel. Sygnały te stanowią podstawę do obliczania BMI hipokampa w czasie rzeczywistym, a aktywność hipokampa mózgu przekłada się na działania na ekranie.
Następnie badacze odłączają bieżnię i nagradzają szczura za odtworzenie wzorca aktywności hipokampu powiązanego z lokalizacją celu. W tym zadaniu „Skoczek” – nazwanym na cześć filmu o tym samym tytule z 2008 roku – BMI przekłada aktywność mózgu zwierzęcia na ruch na ekranie wirtualnej rzeczywistości. Zasadniczo zwierzę wykorzystuje swoje myśli, aby dotrzeć do nagrody, najpierw zastanawiając się, dokąd musi się udać, aby ją otrzymać. Ten proces myślowy jest czymś, czego ludzie doświadczają regularnie. Na przykład, gdy zostaniemy poproszeni o odbiór artykułów spożywczych w znajomym sklepie, możemy wyobrazić sobie miejsca, które będziemy mijać po drodze, zanim jeszcze wyjdziemy z domu.
W drugim zadaniu, zadaniu „Jedi” – nawiązującym do Gwiezdnych Wojen – szczur przenosi przedmiot w określone miejsce wyłącznie za pomocą myśli. Szczur jest unieruchomiony w wirtualnym miejscu, ale „przesuwa” obiekt do celu w przestrzeni VR, kontrolując jego aktywność hipokampa, tak jak osoba siedząca w biurze może sobie wyobrazić, jak bierze filiżankę obok ekspresu do kawy i napełnia ją kawą . Następnie badacze zmienili lokalizację celu, wymagając od zwierzęcia przedstawienia wzorców aktywności związanych z nową lokalizacją.
Zespół odkrył, że szczury potrafią precyzyjnie i elastycznie kontrolować aktywność hipokampa, podobnie jak prawdopodobnie robią to ludzie. Zwierzęta są również w stanie podtrzymać tę aktywność hipokampa, zatrzymując swoje myśli w danym miejscu przez wiele sekund – w ramach czasowych podobnych do tych, w których ludzie ponownie przeżywają przeszłe wydarzenia lub wyobrażają sobie nowe scenariusze.
„Zadziwiające jest to, jak szczury uczą się myśleć o tym miejscu, a nie o innym miejscu, przez bardzo długi okres czasu, w oparciu o nasze, być może naiwne, pojęcie o długości uwagi szczura” – mówi Harris.
Badania pokazują również, że BMI można wykorzystać do badania aktywności hipokampa, tworząc nowatorski system badania tego ważnego obszaru mózgu. Zdaniem autorów, ponieważ wskaźnik BMI jest coraz częściej stosowany w protetyce, nowa praca otwiera także możliwość zaprojektowania nowatorskich urządzeń protetycznych w oparciu o te same zasady.