Naukowcy poczynili postępy w odkrywaniu mechanizmów leżących u podstaw tworzenia i utrwalania pamięci w mózgu podczas odpoczynku lub snu. Nowe badania biorą pod lupę rolę hipokampa oraz jego komórek zastępczych, które „odtwarzają” sekwencje neuronalne. Do badań wykorzystano nowo opracowany model sztucznej inteligencji.
Spis treści
Nauronauka: podstawowe pojęcia
Neuronauka to interdyscyplinarna dziedzina naukowa, która zajmuje się badaniem układu nerwowego. To tak naprawdę połączenie wiedzy medycznej z biologiczną, biochemiczną, biofizyczną, informatyczną i psychologiczną. Wszystkie te dyscypliny ściśle ze sobą współpracują, tworząc wspólny język i koncepcje. Neuronauka ma jeden główny cel — zrozumieć strukturę i sposób, w jaki funkcjonuje mózg. I robi to w sposób fascynujący, gdyż pracuje na żywym organie, który już sam w sobie skrywa zapewne jeszcze wiele tajemnic. Myślę, że termin „neuronauka” można w prosty sposób opisać dwoma zdaniami, które można znaleźć we wprowadzeniu do pracy naukowej „Neuronauka o podstawach człowieczeństwa”, pióra V. S. Ramachandrana, znanego neurologa.
Każda małpa może sięgnąć po banana, ale tylko ludzie potrafią sięgać gwiazd. Małpy żyją, walczą, rozmnażają się i umierają w lasach — i tyle. Ludzie piszą, badają, tworzą i poszukują.
Powyższy cytat stanowi esencję tej dziedziny naukowej, a sam autor w swojej rozprawie zadaje pytanie, które człowiek zadaje sobie, odkąd uzyskał świadomość — co czyni nas ludźmi?
Za pamięć zaś odpowiada cały ośrodkowy układ nerwowy (w skrócie OUN). To on bierze udział w odbieraniu, przetwarzaniu oraz magazynowaniu informacji. Część z tych informacji magazynowa jest jako pamięć długotrwała, a każda pojedyncza informacja docierająca do OUN wywołuje liczne reakcje efektorowe w olbrzymiej sieci neuronalnej, aktywując przy tym nieraz bardzo odległe neurony. Pozostałe informacje, zbędne dla procesów mózgowych, są wydalane czy „wygaszane przez rozmaite systemy neuronów”. Jak czytamy w serwisie neurologia-praktyczna.pl, niektórzy naukowcy uważają, że podczas snu dokonują się procesy oczyszczania mózgu.
Zanim jednak zaczniemy zagłębiać się w efekty naukowych działań, przypomnimy kilka podstawowych terminów dotyczących tej dziedziny. Po pierwsze, hipokamp to część mózgu odpowiedzialna za pamięć — uwielbia nowości i wspiera ich zapamiętywanie, wykorzystując tzw. układ nagrody, jak mówił dr Marek Kaczmarzyk podczas jednego ze swoich wykładów. Wszelkie sekwencje neuronalne, które odtwarzane są podczas snu, nie są przypadkowe, lecz mają swoje priorytety — nadają ten priorytet znanym doświadczeniom i tym, które związane są z nagrodami.
Hipokamp tworzy naszą pamięć, co zostało też zilustrowane poprzez przypadek pacjenta Henry’ego Gustav’a Milaison’a (choć często odnosi się do jego osoby przy użyciu inicjałów — H.M.). Mężczyzna po dość eksperymentalnej operacji mózgu, miał pozbyć się epilepsji raz na zawsze. Jego hipokamp został częściowo usunięty, stąd pacjent utracił zdolność formowania nowych wspomnień.
Neuronauka w najnowszych badaniach
Naukowcy poszli o krok dalej w procesach zachodzących w hipokampie i wykorzystali do tego sztuczną inteligencję. Zbudowali specjalny model, aby jak najlepiej zrozumieć procesy, które zachodzą w mózgu. Odkryli, że sekwencje doświadczeń są traktowane priorytetowo podczas odtwarzania, a bazowały na znajomości i czekających nagrodach, po wykonaniu zadania. Sztuczna inteligencja okazała się być najlepszym rozwiązaniem. Okazało się, że AI przyswaja informacje przestrzenne efektywniej, kiedy odtwarza priorytetowe sekwencje. Dzięki temu oferuje cenny wgląd w sposób, w jaki nasze mózgi uczą się i przetwarzają informacje.
Badacze wykorzystali do badań gryzonie. Wyniki potwierdziły, że hipokamp odgrywa znaczącą rolę w nauce przestrzennej i nawigacji. Odkryto komórki „strzelające” w określone miejsca, znano jako komórki miejscowe.
Kiedy zwierzę się porusza, niektóre komórki miejscowe strzelają jedna po drugiej, wzdłuż trasy, którą podążą zwierzę. Później, w spoczynku lub podczas snu, komórki tego samego miejsca mogą zostać reaktywowane w tej samej kolejności, w jakiej były doświadczane, lub w odwrotnej kolejności.
wyjaśnia Nicolas Diekmann dla NeuroScienceNews
Sekwencje, które naukowcy obserwowali podczas badania, ale i te nasze, odtwarzane w naszym osobistym mózgu, nie tylko odzwierciedlają nasze wcześniejsze zachowania. Można je też składać na nowo, dostosowywać do zachodzących zmian strukturalnych w środowisku lub przedstawiać miejsca, w których jeszcze nie byliśmy, ale już je widzieliśmy.
Model sztucznej inteligencji, opracowany przez naukowców na potrzeby tego badania, jest wiarygodny pod kątem biologicznym. Dodatkowo generuje możliwe do poskromienia obciążenie obliczeniowe i uczy się znacznie szybciej niż rozwiązania, które uczą się sekwencji w sposób losowy. A to już daje trochę więcej istotnych wiadomości na temat tego, w jaki sposób nasze mózgi chłoną wiedzę, jak się uczą.