Model CogLinks odhaluje, jak se mozek přizpůsobuje měnícím se pravidlům

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. 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 velký význam náhodným událostem, jako je schizofrenie, nebo uvíznout v rigidních vzorcích, jako je obsedantně-kompulzivní porucha.

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

Michael Halassa, profesor neurověd, Tufts University School of Medicine

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

Volal CogLinksmodel 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 systémů umělé inteligence, které fungují jako „černé skříňky“, CogLinks ukazuje výzkumníkům, jak přesně jeho virtuální neurony propojují strukturu a funkci. Výsledkem je, že vědci mohou zmapovat, jak se tento virtuální mozek učí ze zkušeností a otáčí se na základě nových informací.

V a studie zveřejněná 16. října Příroda komunikacestarší autor Halassa a kolegové z Massachusetts Institute of Technology (MIT). CogLinks prozkoumat, jak mozkové okruhy koordinují flexibilní myšlení. Jako letecký simulátor pro mozek, CogLinks nechat výzkumníci testují, co se stane, když klíčové rozhodovací okruhy sejdou z kurzu. Když oslabili virtuální spojení mezi dvěma simulovanými oblastmi mozku – prefrontální kůrou a mediodorzálním thalamem – systém přešel na pomalejší učení řízené zvyky. Ten výsledek navrhuje tato cesta je nezbytná pro adaptabilitu.

Aby se zjistilo, zda tyto předpovědi platí u lidí, tým provedl doprovodnou fMRI studium, které bylo vedeno oběma Burkhard Pleger z Ruhr-University Bochum a Halassa. Dobrovolníci si zahráli hru, ve které se nečekaně změnila pravidla. Jak se očekávalo, prefrontální kůra se zabývala plánováním a hlubokou centrální oblastí mozku známou jako striatum řízené návyky – ale mediodorzální thalamus se rozsvítil, když si hráči uvědomili, že se pravidla změnila a upravili svou strategii.

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

Halassa doufá, že výzkum pomůže položit základy pro nový druh „algoritmiku psychiatrie“, ve kterém počítačové modely pomáhají odhalit, jak duševní onemocnění vzniká 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 Vzezření Brabeeba Wang, hlavní autor knihy CogLinks studie, spoluautor fMRI studium a doktorand MIT v Halassově laboratoři.

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