Agykutatás

Hogyan jelzi előre az agy a döntések következményeit?

2020. OKTÓBER 29.

A Neuron tanulmánya bemutatja azt az összetett eljárást, amivel külön-külön, egyedi sejtekre lebontva tanulmányozható két döntéshozatai módszer, a modell-alapú és a modellmentes tanulás agyi mechanizmusa.

Cselekedeteink kimenetelének előrejelzése a megfelelő döntéshozatal érdekében az agy alapvető fontosságú feladata, írják az idegkutató, genetikus és komputációs szakember szerzők. A cselekedetek kimenetelének előrejelzését az agy jelen tudásunk szerint két alapvetően különböző mechanizmussal végzi, a modell-alapú és a modellmentes tanulás révén. A flexibilis és adaptív viselkedés kivitelezésében alapvető a modell-alapú tanulás, ennek neurobiológiájáról eddig mégis alig tudtunk valamit. Most egy portugál, holland, német és egyesült államokbeli kutatóintézetek együttműködésével kidolgozott új módszer segítségével lehetővé vált a modell-alapú tanulás hátterében álló agyterület azonosítása, és annak bemutatása, hogy ezen agyterület aktivitása hogyan feleltethető meg a döntéshozatal számos aspektusának.

A modell-alapú és a modellmentes tanulás eltér egymástól, de egymást kiegészítve, komplementer módon működik. Míg a modell-alapú megközelítés a megoldani kívánt probléma struktúrájának megértését és a struktúrára alapozó cselekvési terv kidolgozását jelenti, a modellmentes tanulás ismerős helyzetben teszi lehetővé a gyors cselekvést kevés mentális energia elhasználásával. Egyszerű példával: a modell-alapú tanulás akkor domináns, ha egy új étterembe szeretnénk eljutni, és az odavezető legoptimálisabb útvonalat keressük, míg a modellmentes megközelítés akkor, ha olyan étterembe indulunk, amiben már sokszor voltunk. A döntési helyzetek zömében anélkül, hogy tudatosodna bennünk, agyunk folyamatosan átkapcsol egyik megközelítésről a másikra és vissza. A példánál maradva, ha a szokásos útvonalon lezárt útszakasszal találjuk magunkat szemben, az alternatíva megtalálása érdekében modell-alapú működésmódra váltunk. Mivel a kétféle döntéshozatali mód gyakran párhuzamosan működik, nehéz a modell-alapú módszer neurális bázisát tanulmányozni.

A két kognitív séma külön-külön tanulmányozása érdekében a kutatók először átdolgoztak egy eredetileg humán kísérleti alanyokra kidolgozott kísérletes feladatrendszert egerekre. A módszer alkalmazását az teszi lehetővé, hogy az elmúlt évtizedben kifejlesztett optikai képalkotó módszerekkel lehetővé vált akár egy-egy neuron aktivációs potenciáljának érzékelése is mozgó állatokban hordozható, miniatűr fluoreszcens mikroszkópok adatait komputációs módszerekkel feldolgozva [a kalcium-áramlást a génmódosított állatok neuronjaiban expresszálódott ultra-szenzitív Ca-szenzor-proteinek foszforeszkálása révén érzékeli a miniatűr (1,1 g) mikroszkóp]. A mikroszkópokkal felszerelt egerekkel a következő feladatot végeztették el:

Az egereknek a feladatsor elején az orruk bökdösésével választaniuk kellett két egymás fölötti, centrális elhelyezkedésű portál között. Ennek eredményeképpen felvillant a központtól jobbra és balra elhelyezkedő oldalsó portálok közül az egyik lámpája, jelezve, hogy az állat ott begyűjtheti a jutalomként szolgáló vizet. A feladat végrehajtása érdekében a szomjas egereknek két változót kellett kiszámítaniuk; az egyik: melyik oldalsó portál ad nagyobb eséllyel jutalmat, és a másik: melyik az a centrális portál, ami a nagyobb eséllyel jutalmazó oldalsó portált aktiválja. Miután az egerek megtanulták a feladatot, mindig azt az útvonalat választották, ami a legtöbb vizet eredményezte. A továbbiakban a flexibilis tanulási stratégiák tanulmányozása érdekében a kutatók megváltoztatták az egyik vagy a másik változót (felcserélték, hogy melyik oldalsó portál ad nagyobb eséllyel jutalmat vagy felcserélték, hogy melyik centrális portál aktiválja a nagyobb eséllyel jutalmazó oldalsó portált).

Az így előálló feladatot elméletben modell-alapú és modellmentes tanulással egyaránt meg lehet oldani, azonban a különböző stratégiák különböző döntési mintázatokat eredményeznek. A kutatók az egyes egerek viselkedését megfigyelve azonosítani tudták a kétféle megközelítési mód hozzájárulását. A kb. 230.000 egyedi döntés megfigyelési eredményeit analizálva bebizonyosodott: az egerek valóban párhuzamosan használják a kétféle módszert, így a feladat alkalmas a kétféle módszer döntési neurális bázisának tanulmányozására.

A modell-alapú döntéshozatal neurális térképe

A kutatók a cingulátum kortex elülső részére (ACC) koncentráltak, mivel a feltételezések szerint ez az agyterület működik közre a modell-alapú predikciókban. Az egyes neuronok aktiválódását élő, mozgó állatban követhetővé tevő mikroszkópos módszerrel el lehetett készíteni a döntéshozatal tér-időbeli térképét. A térkép révén a későbbiekben nagyon pontosan meg tudták mondani, hogy egy-egy aktivitási mintázat esetén az állat épp hol jár a feladatban. Ezen felül, az ACC-neuronok egy-egy aktuális aktivitási mintázatából arra is következtetni lehetett, hogy milyen következő mintázat kialakulása valószínű, azaz bebizonyosodott, hogy az ACC valóban részt vesz a modell-alapú predikcióban. Az ACC-neuronok aktivitási mintázata azt is reprezentálta, hogy egy-egy cselekedet következménye meglepő volt vagy a várakozásoknak megfelelően alakult, azaz lehetséges, hogy az ACC végzi a rossz előrejelzések nyomán a modell pontosítását.

Végül annak bizonyítása érdekében, hogy az ACC valóban szükséges a modell-alapú döntéshozatalhoz, a kutatók az optogenetikai módszerekkel is átalakított kísérleti állatokban a döntéshozatal során kikapcsolták az ACC-neuronokat. Mint kiderült, ennek következtében az állatok képtelenné váltak a modell pontosítására, azaz bebizonyosodott az ACC modell-alapú döntéshozatalban játszott szerepe. Ezzel az értelmezéssel egybehangzó volt az az eredmény is, miszerint az ACC-neuronok elcsendesítése nagyobb hatással volt azokra az egyedekre, amelyek nagyobb arányban használták döntéshozataluk során a modell-alapú megközelítést.

Összefoglalóan a szerzők kifejtik: az idegtudomány előtt álló nagy kihívás, hogy megértsük, hogyan kontrollálja az agy az olyan komplex viselkedéseket, mint a tervezés és a sorozatos döntéshozatal; jelen tanulmányukkal a kutatók megtették az első lépéseket annak demonstrálására, hogy lehetséges élő állatban vizsgálni és manipulálni a komplex agyi folyamatokat.


Szemlézte:
Kazai Anita dr.

Eredeti közlemény:
Akam, Thomas, Ines Rodrigues-Vaz, Ivo Marcelo, Xiangyu Zhang, Michael Pereira, Rodrigo Freire Oliveira, Peter Dayan, and Rui M. Costa. "The Anterior Cingulate Cortex Predicts Future States to Mediate Model-Based Action Selection." Neuron 109, no. 1 (2021): 149-163.
DOI: 10.1016/j.neuron.2020.10.013

HOZZÁSZÓLÁSOK

0 hozzászólás

A rovat további cikkei

Agykutatás

A stroke új kezelése

Kutatók egy új terápiás eljárást ismertettek, mellyel csökkenthetőek az agyi infartus okozta károsodások, az elhalt idegek újra növekedhetnek, a kiesett működések helyreállhatnak. Ráadásul az eddigiekkel szemben „a terápia hosszú idővel a stroke után is hatékony” - állítja Gwendolyn Kartje, a cikk első szerzője.

Agykutatás

A szerotonin nem csak neurotranszmitter

A szerotonin nemcsak ingerületátvivőként működik, hanem a génexpresszió szabályozásában is részt vesz. E felfedezés következtében jobban megérthetjük a normál agyfejlődést, a pszichiátriai és neurodegeneratív betegségeket, és új terápiás módszereket fejleszthetünk ki.

Agykutatás

A drogok hatása az agyra

A kábítószerélvezet valószínűleg a „gondolkodás nélküli cselekvés” veleszületett hajlamához köthető. Legalábbis ezt mutatták ki a kutatók mesterséges stimulánst használó testvérek vizsgálata alapján.

Agykutatás

Az agyi plaszticitás kulcsa

A felnőtt korban született neuronok jóval a neurogenezis hanyatlása után is hozzájárulnak az agy flexibilitásához, állapította meg a Journal of Neuroscience tanulmánya.

Agykutatás

A krónikus neurológiai covid-tünetek hátterében álló mechanizmus

Bár a hosszú covidnak nevezett krónikus tünetegyüttes diszexekutív szindrómával vagy ködös agyműködéssel járhat, az eddigi vizsgálatok nem találtak a tünetek hátterében encephalitis-t. Amerikai patológusok most megfejtették a mechanizmust, ami legalábbis részben magyarázhatja a neurológiai tüneteket.

Kapcsolódó anyagok

Egészségpolitika

Új algoritmus érzékeli az Alzheimer-kór korai jeleit

Az Alzheimer-kór előfordulásának várható jelentős növekedése a magasabb várható élettartam miatt, a modern társadalmak egészségügyi rendszereinek egyik legnagyobb jövőbeli kihívása világszerte. Az Alzheimer-kór jelentős változásokat okoz a tevékenységek időbeli szerkezetében, s ez hátrányosan befolyásolja a mindennapi tevékenységeket. A rendellenes mozgásos viselkedés, és az alvás-ébrenlét ciklus degenerációja a súlyos viselkedési tünetek között van. A korai felismerés, és még inkább az ilyen viselkedések előre jelzése lehetővé teszi a gyors beavatkozásokat, amelyek célja, hogy késleltessék a tünetek megnyilvánulását vagy súlyosbodását, és ezáltal csökkentsék az egészségügyi intézményekben való ellátás szükségességét, vagy legalábbis gyakoriságát/folyamatosságát.

Klinikum

A bél-agy-tengely újabb összefüggései

Gyulladásos bélbetegség esetén több mint duplájára nő a demencia kockázata; IBD-ben szenvedőknél 7 évvel korábban kezdődik az elbutulás.

Agykutatás

A stroke új kezelése

Kutatók egy új terápiás eljárást ismertettek, mellyel csökkenthetőek az agyi infartus okozta károsodások, az elhalt idegek újra növekedhetnek, a kiesett működések helyreállhatnak. Ráadásul az eddigiekkel szemben „a terápia hosszú idővel a stroke után is hatékony” - állítja Gwendolyn Kartje, a cikk első szerzője.

Egészségpolitika

Módosításra szorul az új egészségügyi jogállásról szóló törvény

Mindenképpen módosításra szorul az új egészségügyi jogállásról szóló törvény - állították egybehangzóan munkajogász szakértők egy, az egészségügyi szolgálati jogviszonyról szóló törvényről szervezett videókonferencián. Ahogy elfogadhatatlan ennyire méltatlan, elkapkodott, kidolgozatlan és indokolatlanul nehéz körülményeket teremteni, és ilyen választásra kényszeríteni valakit az élethivatását illetően.