Мозг мышей: как клетки объясняют наше поведение

Нейробиологи обнаружили специфические клетки мозга, которые обеспечивают интеллектуальное поведение. На протяжении десятилетий нейробиологи разрабатывали математические модели, чтобы объяснить, как активность мозга влияет на поведение в предсказуемых, повторяющихся сценариях, например, во время игры. Эти алгоритмы не только описывали активность клеток мозга с удивительной точностью, но и помогли развить искусственный интеллект с суперчеловеческими достижениями в конкретных задачах, таких как игры в Atari или Go.

Тем не менее, эти модели не могут уловить суть человеческого и животного поведения: нашу выдающуюся способность обобщать, делать выводы и адаптироваться. Наше исследование, опубликованное в журнале Nature в конце прошлого года, дает представление о том, как клетки мозга у мышей способствуют этому более сложному интеллектуальному поведению.

В отличие от машин, люди и животные могут гибко справляться с новыми вызовами. Каждый день мы решаем новые задачи, обобщая свои знания или опираясь на опыт. Мы готовим новые рецепты, встречаем новых людей, выбираем новый путь – и можем представить последствия совершенно новых решений.

Еще в середине 20 века психолог Эдвард Толмен описал концепцию "когнитивных карт". Это внутренние, умственные представления мира, которые организуют наш опыт и позволяют предсказать, что мы увидим дальше.

Начиная с 1970-х годов, исследователи выявили прекрасную систему специализированных клеток в гиппокампе (центре памяти мозга) и энторинальной коре (области, занимающейся памятью, навигацией и восприятием времени) у грызунов, которые формируют буквальную карту нашего окружения.

К ним относятся "клетки места", которые активируются в определенных локациях, и "сетки клеток", создающие пространственную структуру. Вместе эти и многие другие нейроны кодируют расстояния, цели и местоположения, формируя точную умственную карту физического мира и нашего места в нем.

И теперь наше внимание переключилось на другие области познания, помимо поиска пути: обобщение, выводы, воображение, социальное познание и память. Одни и те же области мозга, которые помогают нам ориентироваться в пространстве, также участвуют в этих функциях.

Мы хотели узнать, есть ли клетки, которые организуют знания о нашем поведении, а не о внешнем мире, и как они работают. В частности, какие алгоритмы лежат в основе активности клеток мозга, когда мы обобщаем на основании прошлого опыта? Как мы фантазируем о новом блюде с пастой?

И мы нашли такие клетки. Есть нейроны, которые сообщают нам «где мы находимся» в последовательности поведения (мы пока не дали им имени).

Чтобы раскрыть клетки мозга, сети и алгоритмы, выполняющие эти функции, мы изучали мышей, обучая животных выполнять задачу. Задача имела последовательность действий с повторяющейся структурой. Мыши перемещались между четырьмя местами или «целями», содержащими водяные награды (A, B, C и D) в петле.

Когда мы переместили местоположение целей, мыши были способны вывести, что будет дальше в последовательности – даже когда они никогда не сталкивались с этим точно таким же сценарием прежде.

Когда мыши достигли цели D в новом месте в первый раз, они мгновенно поняли, что нужно вернуться к цели A. Это не было памятью, потому что они никогда не встречали это. Вместо этого это показывает, что мыши поняли общую структуру задачи и отслеживали свое местоположение в ней.

Мышам вживляли электроды в мозг, что позволило нам зафиксировать нейронную активность во время выполнения задачи. Мы обнаружили, что конкретные клетки в коре (внешнем слое мозга) коллективно отслеживали прогресс животных к целям. Например, одна клетка могла активироваться, когда животное было на 70% пути к цели, независимо от того, где находилась эта цель или как далеко она была.

Некоторые клетки отслеживали прогресс в отношении непосредственных подцелей – как например, нарезка овощей в нашей аналогии с готовкой – в то время как другие картировали прогресс к общей цели, такой как завершение блюда.

Вместе эти клетки прогресса к целям создали систему, показывающую наше местоположение в пространстве поведения, а не в физическом пространстве. Критически важно, что система гибкая и может обновляться, если задача изменится. Эта кодировка позволяет мозгу предсказывать предстоящую последовательность действий, не полагаясь на простые ассоциативные воспоминания.

Почему мозгу стоит заниматься изучением общих структурных представлений задач? Почему бы не создать новое представление для каждой? Чтобы обобщение было оправданным, задачи, которые мы выполняем, должны содержать регулярности, которые можно использовать — и они действительно содержат.

Поведение, которое мы создаём, чтобы достичь своих целей, полно повторений. Обобщение позволяет знаниям распространяться за пределы отдельных случаев. В течение жизни мы сталкиваемся с высоко структурированным распределением задач. И каждый день мы решаем новые проблемы, обобщая на основе прошлого опыта.

Предыдущее знакомство с приготовлением болоньезе может помочь в создании нового рецепта рагу, потому что одни и те же общие шаги применимы к обоим (например, сначала пассеровать лук, а потом добавлять свежие травы в конце). Мы предлагаем, что клетки прогресса к целям в коре служат строительными блоками — внутренними структурами, которые организуют абстрактные связи между событиями, действиями и результатами. Хотя мы показали это только на мышах, вполне вероятно, что то же самое происходит и в человеческом мозге.

Документируя эти клеточные сети и алгоритмы, которые лежат в их основе, мы строим новые мосты между нейробиологией человека и животных, и между биологическим и искусственным интеллектом. И дополнительно к пасте.