Исследования показали, как именно мозг учится понимать мир
🔥 Еще больше интересного в моем канале продуктовые штучки
Исследователи из Janelia Research Campus наблюдали за тысячами нейронов в гиппокампе мышей в режиме реального времени, смогли понять и визуализировать процесс обучения мышей. Подтвердилась гипотеза о когнитивной карте, которая формируется при решении задач.
Мыши учились ориентироваться в виртуальном лабиринте в течение нескольких дней. В ходе обучения и поведение животных, и нейронная активность гиппокампа проходили через несколько стадий, постепенно получая все лучшее представление о задаче, которое отражалось в повышении поведенческой эффективности.
Во время обучения мыши проходят через серию поведенческих изменений, которые сопровождаются структурными изменениями нейронной активности.
Мозг проходит четкие стадии обучения, формируя внутреннюю карту окружающего мира. Исследование также показывает, что нейронная активность демонстрирует гибкую адаптацию к изменению условий задачи (таких как введение новых визуальных подсказок, корректировка длины сегментов пути мыши и т.п.).
Как существа мыслят? Когнитивные карты
Интеллект проявляется в способности организма динамически взаимодействовать со своей средой, интерпретировать информацию, приспосабливаться к незнакомым ситуациям и выполнять сложные задачи.
Центральной концепцией в изучении естественного и искусственного интеллекта является понятие «внутренней модели». Эти модели преобразуют внешние наблюдения мира в хорошо организованное представление, тем самым обеспечивая адаптивное поведение.
В нейронауке ярким примером такой внутренней модели является концепция «когнитивной карты».
Описанные в начале ХХ века, когнитивные карты представляют собой нейронные конструкции, которые позволяют животным постигать свое окружение и понимать взаимодействие между их телами и внешним миром, что поддерживает эффективную навигацию даже в новых обстоятельствах.
Эта концепция получила импульс с открытием «клеток места» в гиппокампе – нейронов, которые избирательно активизируются при определенных обстоятельствах. С тех пор нейронные основы когнитивных карт были тщательно изучены, что позволило получить обширный объем знаний о свойствах активации нейронов, составляющих когнитивные карты в мозге грызунов и приматов (включая человека и других животных).
Фундаментальные исследования показывают, что гиппокамп не только фиксирует особенности окружающей среды, но и отношения между ними и действиями существа в ней. Например, есть нейроны которые хранят информацию о месте, направление движения, скорости бега животного. Нейроны гиппокампа также могут научиться представлять более абстрактные пространства, такие как положение в звуковом ландшафте, отношения между объектами или событиями.
Несмотря на обширный объем знаний о свойствах нейронной активации, составляющих когнитивные карты гиппокампа, их алгоритмическую структуру все еще предстоит выяснить.
Результаты исследования
Систематические изменения гиппокампа во время обучения
Сначала исследователи наблюдали значительную индивидуальную изменчивость к представлению задачи у разных мышей. После нескольких дней обучения «карты» нейронной активности стали все больше отличаться для отдельных типов испытаний и локаций. Результаты показывают систематический прогресс того, как гиппокамп учится представлять структуру задачи.
Изменения в настройке клеток во время формирования карты
По мере обучения нейроны претерпевают изменения в своих настраиваемых свойствах, они становятся более избирательными и восприимчивыми к связанным с задачей характеристикам. Это включает изначально "молчащие" нейроны, которые стали активными в определенных областях для определенного типа испытания, а также нейроны, которые изначально были активны в двух типах испытаний, но в конечном итоге стали специфичными для типа испытания за счет снижения активности в другом типе испытания.
Адаптация состояний гиппокампа к новым задачам
Сравнение нейронной активности для испытаний с новыми условиями выявило высокое сходство нейронных представлений старых и новых задач. Другими словами, нейронная активность в новых условиях отражала общую структуру задачи, сохраняя информацию о новых условиях. Во втором варианте задания для мышей увеличили длину серых зон, таким образом требуя от животных преодолевать большие расстояния, чтобы достичь вознаграждения. Когда мыши входили в первую область в дальних испытаниях, нейроны быстро меняли свою настройку, чтобы выровняться с областью непосредственно перед второй областью награды, как будто мышь уже ожидала второе место награды. Однако, когда мышь в конце концов видела награду, прежнее представление быстро «сбрасывалось» и привязывалось к новому представлению.
Эти открытия подтверждают идею, что полученная когнитивная карта может выводиться и гибко использовать выученные состояния в новых ситуациях.
Изучение того, как различные модели реагируют на изменения задач, представляет собой захватывающее направление для будущих исследований.
Выводы
Результаты показывают постепенное формирование когнитивной карты в гиппокампе, сопровождающейся прогрессом в выполнении задач.
Это развитие отражается в изменениях как нейронной активности на уровне группы нейронов, так и свойств отдельных нейронов.
Обученные мыши демонстрируют надежную краткосрочную и долгосрочную память — процессы, которые согласуются со структурой зрелой когнитивной карты, включая способность производить эффективное поведение в новых средах с похожей структурой, но измененными характеристиками.
Модель фиксирует как конечные представления, так и траекторию обучения у животных, что усиливает ее перспективы для моделирования функции гиппокампа.
Пожалуйста, поддержите меня, поставьте лайк!
Биологический мозг — пока что черный ящик для ученых. Результаты эксперимента открывают многообещающие возможности как для науки, так и для медицины. Расскажу об этом крайне любопытном и многообещающем эксперименте.