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

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 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

Neurokannabisz

Főleg a Cannabis/kender hatóanyagainak idegrendszeri működéséről és neurológiai, pszichiátriai kórképekben kifejtett terápiás hatásairól volt szó a második magyarországi Orvosi Kannabisz Konferencián, aminek első napján a szakemberek, második napján a betegek és a laikus érdeklődők nyelvén folyt a kommunikáció.

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.

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.