„Letecký simulátor“ pro mozek odhaluje, jak se učíme – a proč mysl někdy sejde z kurzu

Každý den dělá váš mozek tisíce rozhodnutí v nejistotě. Většinu času hádáte správně. Když ne, naučíš se. Když ale schopnost mozku posuzovat kontext nebo přiřazovat význam zakolísá, myšlenky a chování se mohou ztratit. U psychiatrických poruch od poruchy pozornosti/hyperaktivity po schizofrenii může mozek špatně odhadnout, kolik důkazů má shromáždit, než začne jednat – nebo se nedokáže přizpůsobit, když se pravidla světa změní na základě nových informací.

„Nejistota je zabudována do zapojení mozku,“ říká Michael Halassa, profesor neurověd na lékařské fakultě Tufts University. „Představte si skupiny neuronů hlasujících – některé optimistické, jiné pesimistické. Vaše rozhodnutí odrážejí průměr.“ Když se tato rovnováha pokřiví, mozek může špatně číst svět: přiřazovat příliš mnoho významu náhodným událostem, jako např. schizofrenienebo uvíznutí ve strnulých vzorcích, jako u obsedantně-kompulzivní poruchy.

Pochopení těchto chybných zapalování je pro vědce dlouho výzvou, říká Halassa. „Mozek mluví jazykem jednotlivých neuronů. Ale fMRI – nástroj, který používáme ke studiu mozkové aktivity u lidí – sleduje průtok krve, ne elektrické chvění jednotlivých mozkových buněk.“

Překlenout tuto propast znamená kombinovat poznatky ze studií na zvířatech, zobrazování lidského mozku a chování. Nyní nový druh počítačového modelu – založený na skutečné biologii – umožňuje výzkumníkům simulovat, jak se mozkové okruhy rozhodují a přizpůsobují se, když se pravidla změní.

Model s názvem CogLinks zabudovává do svého návrhu biologický realismus, zrcadlí, jak jsou skutečné mozkové buňky propojeny, a kóduje, jak přiřazují hodnotu často nejednoznačným a neúplným pozorováním vnějšího prostředí. Na rozdíl od mnoha systémy umělé inteligence které se chovají jako“černé skříňky„CogLinks ukazuje výzkumníkům přesně, jak jeho virtuální neurony propojují strukturu, aby fungovaly. Výsledkem je, že vědci mohou zmapovat, jak se tento virtuální mozek učí ze zkušeností a otáčí se na základě nových informací.

V a studie zveřejněno 16. října v Příroda komunikacehlavní autor Halassa a kolegové z Massachusetts Institute of Technology (MIT) použili CogLinks k prozkoumání toho, jak mozkové okruhy koordinují flexibilní myšlení. Jako a letecký simulátor pro mozek umožňuje CogLinks výzkumníkům testovat, co se stane, když klíčové rozhodovací obvody sejdou z kurzu. Když oslabili virtuální spojení mezi dvěma simulovanými oblastmi mozku – prefrontální kůra a mediodorzální thalamus – systém se automaticky nastavil na pomalejší učení řízené zvyky. Tento výsledek naznačuje, že tato cesta je nezbytná pro adaptabilitu.

Aby se zjistilo, zda tyto předpovědi platí u lidí, tým provedl doprovodnou fMRI studiepublikováno také v Příroda komunikacena kterou dohlížel Burkhard Pleger z Porúří-University Bochum a Halassa. Dobrovolníci si zahráli hru, ve které se nečekaně změnila pravidla. Jak se očekávalo, prefrontální kůra se starala o plánování a hlubokou centrální oblast mozku známou jako návyky řízené striatem – ale mediodorzální thalamus se rozsvítil, když si hráči uvědomili, že se pravidla posunula a upravili svou strategii.

Zobrazování potvrdilo to, co model předpovídal: mediodorzální thalamus funguje jako ústředna spojující dva hlavní systémy učení mozku – flexibilní a navyklé – pomáhá mozku odvodit, kdy se kontext změnil, a podle toho změnit strategie.

Halassa doufá, že výzkum pomůže položit základy pro nový druh „algoritmická psychiatrie“, ve kterém počítačové modely pomáhají odhalit, jak se duševní onemocnění vynořuje ze změn v mozkových okruzích, a identifikují biologické markery pro přesné cílení léčby.

„Jednou z velkých otázek v psychiatrii je, jak propojit to, co víme o genetice, s kognitivními symptomy,“ říká Mien Brabeeba Wang, hlavní autor studie CogLinks, spoluautor studie fMRI a doktorand MIT v Halassově laboratoři.

„Mnoho mutací spojených se schizofrenií ovlivňuje chemické receptory nacházející se v mozku,“ říká Wang. „Budoucí použití CogLinks nám může pomoci zjistit, jak by tyto rozšířené molekulární změny mohly ztížit mozku organizovat informace pro flexibilní myšlení.“