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