Wyobraź sobie wędkarza na łodzi zarzucającego do mętnej wody jeziora pułapki na ryby. Aby odnieść sukces, musi je regularnie sprawdzać. Kiedy jest najlepszy czas, aby to robić? Jeśli będzie sprawdzał pułapki zbyt często, wykona niepotrzebną pracę i odstrasza ryby. Jeśli zbyt późno, będzie miał większą szansę na sukces, ale może niepotrzebnie tracić czas. Wiosłowanie od jednej pułapki do drugiej też może być męczące, więc wędkarz musi decydować, czy i kiedy sięgnąć po pułapki. W nowym badaniu neurobiolodzy pokazali, w jaki sposób procesy decyzyjne w mózgu naczelnych są kontrolowane podczas żerowania.
Zespół, w skład którego wchodzili naukowcy z German Primate Center (DPZ) – Leibniz Institute for Primate Research in Göttingen (Niemcy), wyszkolił dwa makaki królewskie (rezusy) do poszukiwania pożywienia w pomieszczeniu doświadczalnym. Zwierzęta mogły się swobodnie poruszać i otrzymywać granulki z żywnością z dwóch pudełek, kiedy naciskały przycisk. W trakcie eksperymentu małpy dowiedziały się, że ilość granulek wydawanych z pudełek wzrasta, im dłużej czekają na naciśnięcie kolejnego przycisku. Jeśli po naciśnięciu nie zostały nagrodzone kulkami, czekały dłużej lub przechodziły do drugiego pudełka.
Podczas eksperymentu naukowcy zmierzyli aktywność neuronalną w przedniej części mózgów dwóch małp i przeanalizowali ją za pomocą modelu matematycznego. Dekodując oczekiwania małp dotyczące nagrody, odwzorowane w aktywności neuronalnej, byli w stanie przewidzieć, jak długo rezusy były skłonne czekać na wyższą nagrodę i kiedy decydowały się wybrać inną opcję. Im dłużej małpy czekały, aż ponownie nacisną przycisk, tym więcej granulek otrzymywały.
Wyniki tego badania pogłębiają wiedzę na temat działań podejmowanych we własnym tempie, ostatecznie przyczyniając się do lepszego zrozumienia chorób neurologicznych, takich jak choroba Parkinsona (Nature Neuroscience).
– Kiedy rozpoczynaliśmy eksperyment, spodziewaliśmy się, że nasze małpy po prostu wybiorą pudełko na podstawie tego, jak dobrze sobie z nim radziły wcześniej – wyjaśnia pierwsza autorka badania dr Neda Shahidi z Collaborative Research Center 1528 na Uniwersytecie w Getyndze. – Po pewnym czasie nauczyły się jednak zwracać uwagę na czas, jaki upłynął od ostatniego naciśnięcia, a także na poprzedni sukces. Jeśli małpy odczekały chwilę, ale nie otrzymały granulek, czekały jeszcze dłużej, zanim następnym razem nacisnęły przycisk. Jeśli jednak po naciśnięciu przycisku nie zostały nagrodzone zbyt wiele razy z rzędu, przenosiły się do drugiego pola. Najwidoczniej zdecydowały, że nie warto czekać na to pudełko z jedzeniem i lepiej jedzenia poszukać gdzie indziej – opowiada.
Aby przeanalizować leżące u podstaw procesy neuronalne, naukowcy bezprzewodowo zarejestrowali aktywność 96 neuronów w korze przedczołowej. Ten obszar mózgu jest zaangażowany w kontrolę zachowania ukierunkowanego na cel i jest aktywowany w wielu aspektach żerowania, np. w ocenie opcji, w oczekiwaniu nagrody, przygotowywaniu działań i postrzeganiu ich wyników.
– Scharakteryzowanie wzorców aktywności poszczególnych neuronów nie zawsze ujawnia całą historię, gdy badamy złożone procesy decyzyjne – wyjaśnia dr Shahidi. – Złożone zachowania składają się z różnych komponentów, które czasami są przetwarzane jednoczasowo w tym samym obszarze mózgu – dodaje.
Aby oddzielić te komponenty, naukowcy opracowali model matematyczny, który w pierwszej kolejności zidentyfikował składniki aktywności neuronalnej, składającej się głównie z grup neuronów, które były silniej aktywne, gdy zwierzęta czekały dłużej przed naciśnięciem przycisku lub gdy przycisk był bardziej hojny w ciągu ostatnich kilku naciśnięć. Ponieważ zwierzęta nie mogły wiedzieć, czy naciśnięcie przycisku będzie szczodrze nagrodzone, naukowcy przypuszczają, że aktywność tych neuronów to odwzorowanie subiektywnych oczekiwań zwierząt.
Badacze sprawdzili również, czy aktywność neuronalna może być zwiastunem, kiedy zwierzęta nacisną przycisk i czy zdecydują się zmienić pudełko. – Byliśmy zaskoczeni tym, jak dobrze nasz model matematyczny był w stanie przewidzieć, co małpy zrobią w ciągu najbliższych kilku sekund – mówi dr Shahidi. – Wyniki naszych badań pokazują, w jaki sposób rozwój technologii bezprzewodowego rejestrowania może poprawić zrozumienie mechanizmów zachodzących mózgu, ale także w jaki sposób postępy w nauce o danych przekształcają neuronaukę, wyodrębniając komponenty obliczeniowe mózgu ze zbiorowej aktywności neuronów. Mamy nadzieję, że w dłuższej perspektywie takie odkrycia pomogą lepiej zrozumieć nieprawidłowości w procesach poznawczych, jak w chorobie Parkinsona czy samoinicjowanie działań w apatii – zauważa badaczka.
Źródło: nature.com; eurekalert.org
Foto: pixabay.com