Часть мозга, которая предугадывает события. Ценой реорганизации памяти

За последние два года представление о том, как работает мозг ^[1] и ЦНС ^[2] поменялось несколько раз. И продолжает меняться. Наука ^[3] отходит все дальше от принципа: «этот участок отвечает за такую-то функцию». Вместо этого мы получаем: «такой-то участок обладает такими-то свойствами, которые проявляются в таких-то ситуациях». Так и сейчас речь пойдет про центр памяти ^[4], который не только постоянно переписывает воспоминания, но и учится предугадывать будущее.

Гиппокамп ^[5] – это своего рода сопрягатель. Он помогает впитывать новую информацию и встраивать её в мозг, связывая с тем, что мы уже знаем. Но это лишь часть общей картины. Гиппокамп ^[6] активно реорганизует нашу память, чтобы предугадывать будущее вознаграждение. Его нейроны ^[7] меняются так, чтобы активироваться еще до получения вознаграждения. Тем самым они создают прогностическую модель мира. Значит ли это, что управляя гиппокампом мы можем видеть будущее? Не совсем. Скорее, это объясняет, почему способности к обучению ^[8] и принятию решений первыми покидают человека, при болезни Альцгеймера ^[9].

Основные факты

Я понимаю, что материал немного отличается от остального контента на ресурсе, поэтому здесь перечислю основные понятия, о которых пойдет речь.

Прогностическое картирование: гиппокамп ежедневно обновляет свою «внутреннюю модель мира», смещая нейронную активность от момента вознаграждения к моментам, предшествующим ему.

Передовые методы визуализации: исследователи использовали кальциевую визуализацию (заставляя нейроны ^[10] светиться) для отслеживания определенных клеток в течение нескольких недель. Так удалось зафиксировать медленные процессы обучения, невидимые для традиционных электродов.

За пределами теории Павлова: у нас есть простое «обучение на основе вознаграждения», которое связано с примитивными нейронными цепями головного мозга. Но это исследование показывает, что гиппокамп также использует глубинную память и контекст для создания «сложного предвидения».

Анализ болезни Альцгеймера: нарушение этой прогностической сигнализации может объяснить, почему пациентам с болезнью Альцгеймера трудно принимать решения и обучаться на новых ситуациях.

Источник: Predictive coding of reward in the hippocampus ^[11]

Мозг реорганизует память, чтобы обучаться предвиденью

В доклиническом исследовании, опубликованном в журнале Nature ^[11],  освещаются доказательства того, что гиппокамп, область мозга, отвечающая за хранение памяти, постоянно реорганизует воспоминания, чтобы предвидеть будущее.

Результаты исследований, проведенных учеными из лаборатории Брэндона в Университете Макгилла и их коллегами из Гарвардского университета, выявляют процесс обучения, который ранее не наблюдался напрямую.

Гиппокамп часто описывают как внутреннюю модель мира, создаваемую мозгом. Мы видим, что эта модель не статична. Она обновляется день за днем, поскольку мозг учится на ошибках прогнозирования. По мере того, как результаты становятся ожидаемыми, нейроны гиппокампа начинают реагировать ^[12] раньше, поскольку они учатся предвидеть то, что произойдет дальше.
Ведущий автор исследования Марк Брэндон, доцент кафедры психиатрии Университета Макгилла и научный сотрудник Исследовательского центра Дугласа.

Новый взгляд на обучение в действии

Гиппокамп формирует карты физического пространства и прошлого опыта ^[13], которые помогают нам осмысливать мир. Учёные знают, что эти карты меняются со временем по мере изменения паттернов мозговой активности. Это явление считалось случайным, до сегодняшнего дня.

Новые данные показывают, что изменения не случайны, а структурированы. Исследователи получили эти результаты, отслеживая активность мозга мышей в процессе обучения выполнению задания с предсказуемым вознаграждением.

Результаты оказались неожиданными. Нейронная активность, первоначально достигавшая пика в момент получения вознаграждения, постепенно смещалась все раньше и раньше, и в конечном итоге реализовывалась задолго еще до того, как мыши достигали вознаграждения.

Ведущий автор исследования Марк Брэндон, доцент кафедры психиатрии Университета Макгилла и научный сотрудник Исследовательского центра Дугласа.

Вместо традиционных электродов, которые могут отслеживать нейроны лишь в течение коротких периодов времени, исследователи использовали новые методы визуализации, что помогают нейронам светиться. Схожую технологию планируют применять на людях, для лечения эпилепсии ^[14] и схожих заболеваний. Лаборатория Брэндона одной из первых в Канаде применила технологию в лабораторных условиях, что позволило команде наблюдать за клетками в течение нескольких недель и отслеживать медленные изменения, которые часто остаются незамеченными при использовании традиционных методов.

Анализ механизмов обучения и болезни Альцгеймера

Простые формы обучения на основе вознаграждения долгое время связывались с примитивными нейронными связями, что наглядно демонстрируют эксперименты Ивана Павлова, показавшие, что животные могут ассоциировать сигнал, тот же звонок, с едой. Новые данные свидетельствуют о том, что гиппокамп поддерживает более сложную версию этого процесса, используя память и контекст для прогнозирования результатов.

Пациенты с болезнью Альцгеймера часто испытывают трудности не только с воспроизведением опыта прошлого, но и с извлечением уроков из того же опыта и принятием решений. Показав, что здоровый гиппокамп помогает строить предсказательные модели, исследование предлагает новую концепцию.

Эта концепция объясняет, почему процесс обучения и принятия решений нарушается на ранних этапах болезни Альцгеймера. Это открывает путь для исследований того, как именно этот предсказательный сигнал может давать сбои и восстанавливаться.

Более того. Если мы обратимся к огромному подкасту двух докторов нейробиологии ^[15], то увидим, что именно дофамин играет роль топлива для этого самого процесса «сопряжения информации», позволяя выстраивать в единую систему наше виденье будущего, опыт прошлого и действия в настоящем. Как результат – все, что лишает нас дофамина, всё, что переключает на себя синтез дофамина, будет подтачивать нашу способность к обучению и воспроизведению опыта. А значит – привет, тот самый вред соцсетей и новостей!

Что в итоге? Наша способность предугадывать вознаграждение в реальной жизни, наша способность к обучению, принцип исповеданья полезных привычек… Всё это вместе выстраивается в единую канву. От исследований с нейронами и оптикой, до здравых рекомендаций и объяснения: «что мне делать здесь и сейчас».

Больше практичных рекомендаций, научных исследований и сопряжения мира будущего с реалиями в настоящем – вы найдете на канале Neural Hack ^[16]. Подписывайтесь, чтобы держать под рукой научный и полезный контент!