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.

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.).

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.

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.

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.

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.

Изучение того, как различные модели реагируют на изменения задач, представляет собой захватывающее направление для будущих исследований.

Результаты показывают постепенное формирование когнитивной карты в гиппокампе, сопровождающейся прогрессом в выполнении задач.

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.

#medtech #biomed #nature #biohacking #биохакинг #medtech #neurobiology #nature #biotech #biotechnology #биотехнологии #биотехнологии #биотехнология #нейронаука