Hogyan támogatják az agyi áramkörök a rugalmas gondolkodást?
Az agyunk naponta több ezer döntést hoz. Az esetek többségében jól tippel. Amikor nem, akkor tanulunk. De amikor az agynak a kontextus megítélésére vagy a jelentés hozzárendelésére való képessége meginog, a gondolkodás és a viselkedés egyaránt tévútra kerülhet. A figyelemhiányos/hiperaktivitási zavartól a skizofréniáig terjedő pszichiátriai rendellenességeknél az agy rosszul ítélheti meg, hogy mennyi bizonyítékot kell összegyűjtenie, mielőtt cselekedne – vagy nem képes alkalmazkodni, amikor a környezet szabályai az új információk alapján megváltoznak.
A bizonytalanság beépült az agy huzalozásába. Képzeljük el a neuronok csoportjait, amelyek szavaznak – egyesek optimisták, mások pesszimisták. A döntéseink az átlagot tükrözik.” – Michael Halassa, az idegtudományok professzora, Tufts University School of Medicine
Ha ez az egyensúly megbillen, az agy félreértheti a világot: túl sok jelentést tulajdoníthat véletlenszerű eseményeknek, mint a skizofréniában, vagy merev mintákba ragadhat, mint a kényszerbetegségben. Ezeknek a hibás működéseknek a megértése régóta kihívás elé állítja a tudósokat. „Az agy az egyes neuronok nyelvén beszél. De az fMRI – az eszköz, amelyet az emberek agyi aktivitásának tanulmányozására használunk – a véráramlást követi, nem pedig az egyes agysejtek elektromos fecsegését.” – mondjaHalassa.
E szakadék áthidalása az állatokon végzett egysejtes vizsgálatok, az emberi agy képalkotása és a viselkedés kombinációját jelenti. Most egy újfajta számítógépes modell – amely a valós biológián alapul – lehetővé teszi a kutatók számára, hogy szimulálják, hogyan döntenek az agyi áramkörök, és hogyan alkalmazkodnak, amikor a szabályok megváltoznak.
A CogLinks nevű modell a biológiai realizmust építi be a tervezésébe, tükrözve, hogy a valódi agysejtek hogyan kapcsolódnak egymáshoz, és a külső környezettel kapcsolatos, gyakran kétértelmű és hiányos megfigyeléseket hogyan értelmezik, hogyan kódolják. Sok mesterséges intelligencia rendszerrel ellentétben, amelyek fekete dobozként viselkednek, a CogLinks pontosan megmutatja a kutatóknak, hogy a virtuális neuronok hogyan kapcsolják össze a struktúrát a funkcióval. Ennek eredményeképpen a tudósok feltérképezhetik, hogy ez a virtuális agy hogyan tanul a tapasztalatokból és hogyan változik az új információk alapján.
A Nature Communications című folyóiratban október 16-án megjelent tanulmányban a vezető szerző, Halassa és a Massachusetts Institute of Technology (MIT) munkatársai a CogLinks segítségével azt vizsgálták, hogyan koordinálják az agyi áramkörök a rugalmas gondolkodást. Mint egy repülőszimulátor az agy számára, a CogLinks segítségével a kutatók tesztelhették, mi történik, ha a kulcsfontosságú döntéshozó áramkörök letérnek az útról. Amikor gyengítették a virtuális kapcsolatot két szimulált agyi régió – a prefrontális kéreg és a mediodorsalis talamusz – között, a rendszer alapértelmezés szerint lassabb, szokásvezérelt tanulásra váltott. Ez az eredmény arra utal, hogy ez az útvonal elengedhetetlen az alkalmazkodóképességhez.
Hogy lássák, hogy ezek az előrejelzések igazak-e az embereknél, a csapat ezután egy kísérő fMRI-vizsgálatot végzett, amelyet Burkhard Pleger a Ruhr-University Bochum egyetemről és Halassa közösen felügyelt. Az önkéntesek egy olyan játékot játszottak, amelyben a szabályok váratlanul megváltoztak. A várakozásoknak megfelelően a prefrontális kéreg a tervezéssel foglalkozott, és az agy striatum néven ismert mély, központi régiója irányította a szokásokat – de a mediodorsalis talamusz felgyulladt, amikor a játékosok rájöttek, hogy a szabályok megváltoztak, és módosították a stratégiájukat.
A képalkotás megerősítette azt, amit a modell előre jelzett: a mediodorsalis talamusz kapcsolótáblaként működik, amely összekapcsolja az agy két fő tanulási rendszerét – a rugalmast és a megszokottat -, és segít az agynak következtetni arra, ha a kontextus megváltozott, és ennek megfelelően stratégiát váltani. Halassa reméli, hogy a kutatás segít megalapozni egy újfajta algoritmikus pszichiátriát, amelyben a számítógépes modellek segítenek feltárni, hogy a mentális betegségek hogyan alakulnak ki az agyi áramkörök változásaiból, és biológiai markereket azonosítanak a kezelések pontos célzásához.
„A pszichiátria egyik nagy kérdése, hogy hogyan lehet összekapcsolni a kognitív tünetekkel azt, amit a genetikáról tudunk” – mondja Mien Brabeeba Wang, a CogLinks tanulmány vezető szerzője, az fMRI tanulmány társszerzője és Halassa laboratóriumának MIT doktorandusza. „Sok skizofréniához köthető mutáció az agyban található kémiai receptorokat érinti” – mondja Wang. „A CogLinks jövőbeli felhasználása segíthet meglátni, hogy ezek a széles körű molekuláris változások hogyan nehezíthetik meg az agy számára az információk rugalmas gondolkodáshoz szükséges rendszerezését.”