Πρωτοποριακή µελέτη αποκαλύπτει πώς µαθαίνει ο εγκέφαλός µας

Πώς µαθαίνουµε νέα πράγµατα; Οι νευροβιολόγοι που χρησιµοποιούν τεχνικές απεικόνισης αιχµής (cutting-edge visualization techniques) έχουν αποκαλύψει πώς εξελίσσονται οι αλλαγές σε όλες τις συνάψεις και τους νευρώνες µας. Τα ευρήµατα απεικονίζουν τον τρόπο µε τον οποίο οι πληροφορίες υποβάλλονται σε επεξεργασία στα κυκλώµατα του εγκεφάλου µας, προσφέροντας πληροφορίες για νευρολογικές διαταραχές και συστήµατα τεχνητής νοηµοσύνης που µοιάζουν µε τον εγκέφαλο. 

Εγκέφαλος: Πρωτοποριακή µελέτη αποκαλύπτει πώς µαθαίνει νέα πράγματα

Πώς µαθαίνουµε κάτι καινούργιο, όπως είναι τα καθήκοντα σε µια νέα εργασία, οι στίχοι για το τελευταίο τραγούδι ή οι οδηγίες του σπιτιού ενός φίλου; Η ευρεία απάντηση είναι ότι ο εγκέφαλός µας υφίσταται προσαρµογές για να φιλοξενήσει νέες πληροφορίες. Προκειµένου να ακολουθήσει µια νέα συµπεριφορά ή να διατηρήσει τις νέες πληροφορίες, το κύκλωµα του εγκεφάλου υφίσταται αλλαγή. Τέτοιες τροποποιήσεις ενορχηστρώνονται σε τρισεκατοµµύρια συνάψεις -τις συνδέσεις µεταξύ των µεµονωµένων νευρικών κυττάρων, που ονοµάζονται νευρώνες-, όπου λαµβάνει χώρα η επικοινωνία του εγκεφάλου.

Σε µια περίπλοκα συντονισµένη διαδικασία, οι νέες πληροφορίες προκαλούν ορισµένες συνάψεις να δυναµώσουν µε νέα δεδοµένα, ενώ άλλες γίνονται πιο αδύναµες. Οι νευροεπιστήµονες που έχουν µελετήσει στενά αυτές τις αλλαγές, γνωστές ως «συναπτική πλαστικότητα», έχουν εντοπίσει πολυάριθµες µοριακές διεργασίες που προκαλούν τέτοια πλαστικότητα. Ωστόσο, η κατανόηση των «κανόνων» που επιλέγουν ποιες συνάψεις υποβάλλονται σε αυτή τη διαδικασία παρέµενε άγνωστη, ένα µυστήριο που τελικά υπαγορεύει τον τρόπο µε τον οποίο οι φωτονίων, για να µεγεθύνουν την εγκεφαλική δραστηριότητα των ποντικών και να παρακολουθήσουν τις δραστηριότητες των συνάψεων και των νευρωνικών κυττάρων κατά τη διάρκεια µαθησιακών δραστηριοτήτων.

Με την ικανότητα να βλέπουν µεµονωµένες συνάψεις όπως ποτέ άλλοτε, οι νέες εικόνες αποκάλυψαν ότι οι νευρώνες δεν ακολουθούν ένα σύνολο κανόνων κατά τη διάρκεια επεισοδίων µάθησης, όπως είχε υποτεθεί σύµφωνα µε τη συµβατική σκέψη. Αντίθετα, τα δεδοµένα αποκάλυψαν ότι οι µεµονωµένοι νευρώνες ακολουθούν πολλαπλούς κανόνες, µε τις συνάψεις σε διαφορετικές περιοχές να ακολουθούν διαφορετικούς κανόνες.

Οι νευροεπιστήµονες έχουν µελετήσει προσεκτικά πώς οι συνάψεις έχουν πρόσβαση µόνο στις δικές τους «τοπικές» πληροφορίες, αλλά συλλογικά βοηθούν στη διαµόρφωση ευρειών νέων µαθησι ακών συµπεριφορών, ένα αίνιγµα που χαρακτηρίζεται ως «πρόβληµα της πιστωτικής ανάθεσης». Το ζήτηµα είναι ανάλογο µε τα µεµονωµένα µυρµήγκια που λειτουργούν σε συγκεκριµένα κα θήκοντα χωρίς γνώση των στόχων ολόκληρης της αποικίας. Η διαπίστωση ότι οι νευρώνες ακολουθούν πολλούς κανόνες ταυτόχρονα αιφνιδίασε τους ερευνητές. Οι µέθοδοι αιχµής που χρησιµοποιήθηκαν στη µελέτη επέτρεψαν να απεικονίσουν τις εισροές και τις εξόδους των αλλαγών στους νευρώνες, καθώς συνέβαιναν.

Υπολογισμοί και πολλά υποσχόµενες πληροφορίες

«Αυτή η ανακάλυψη αλλάζει θεµελιωδώς τον τρόπο µε τον οποίο κατανοούµε τον τρόπο µε τον οποίο ο εγκέφαλος επιλύει το πρόβληµα της πιστωτικής ανάθεσης, µε την έννοια ότι οι µεµονωµένοι νευρώνες εκτελούν διακριτούς υπολογισµούς παράλληλα σε διαφορετικά υποκυτταρικά διαµερίσµατα», δήλωσε ο ανώτερος συγγραφέας της µελέτης Takaki Komiyama, καθηγητής στα Τµήµατα της Νευροβιολογίας (Σχολή Βιολογικών Επιστηµών) και των Νευροεπιστηµών (Σχολής της Ιατρικής), µε ραντεβού στα Ινστιτούτα Halicioglu Data Science και Kavli Institute Brain and Mind (για τον εγκέφαλο και τον νου).

Οι νέες πληροφορίες προσφέρουν πολλά υποσχόµενες πληροφορίες για το µέλλον της τεχνητής νοηµοσύνης και των νευρωνικών δικτύων που µοιάζουν µε τον εγκέφαλο πάνω στον οποίο λειτουργούν. Συνήθως ένα ολόκληρο νευρωνικό δίκτυο λειτουργεί σε ένα κοινό σύνολο κανόνων πλαστικότητας, αλλά αυτή η έρευνα περιλαµβάνει πιθανούς νέους τρόπους σχεδιασµού προηγµένων συστηµάτων τεχνητής νοηµοσύνης χρησιµοποιώντας πολλαπλούς κανόνες σε µοναδικές ενότητες. Για την υγεία και τη συµπεριφορά, τα ευρήµατα θα µπορούσαν να προσφέρουν έναν νέο τρόπο για τη θεραπεία καταστάσεων, συµπεριλαµβανοµένων του εθισµού, της διαταραχής µε τατραυµατικού στρες και της νόσου του Αλτσχάιµερ, καθώς και νευροαναπτυξιακών διαταραχών όπως ο αυτισµός.

«Αυτή η εργασία θέτει ένα πιθανό θεµέλιο για την προσπάθεια να κατανοήσουµε πώς λειτουργεί κανονικά ο εγκέφαλος για να µας επιτρέψει να κατανοήσουµε καλύτερα τι συµβαίνει σε αυτές τις διαφορετικές ασθένειες», δήλωσε ο Wright. Τα νέα ευρήµατα οδηγούν τώρα τους ερευνητές σε µια πορεία να σκάψουν βαθύτερα για να κατανοήσουν πώς οι νευρώνες είναι σε θέση να χρησιµοποιήσουν διαφορετικούς κανόνες ταυτόχρονα και τι οφέλη τούς δίνει η χρήση πολλαπλών κανόνων.

Πηγή ιστορίας: ScienceDaily | Έρευνα και υλικά: Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια - Σαν Ντιέγκο. Πρωτότυπο γραμμένο από τον Mario Aguilera.