Cum își creează creierul noi amintiri. Cercetătorii au aflat cum înveți cu adevărat. Și NU e ce ți-au spus la școală

În fiecare zi, oamenii învață constant și își formează noi amintiri. Atunci când vă apucați de un nou hobby, încercați o rețetă recomandată de un prieten sau citiți ultimele știri din lume, creierul dumneavoastră stochează multe dintre aceste amintiri pentru ani sau decenii, potrivit Reuters.

Dar cum reușește creierul dumneavoastră această performanță incredibilă?

În cercetarea noastră recent publicată în revista Science, am identificat câteva dintre „regulile” pe care creierul le utilizează pentru a învăța.

Învățarea în creier

Creierul uman este alcătuit din miliarde de celule nervoase. Acești neuroni conduc impulsuri electrice care transportă informații, la fel cum computerele folosesc codul binar pentru a transporta date.

Aceste impulsuri electrice sunt comunicate cu alți neuroni prin conexiuni între ei numite sinapse. Neuronii individuali au extensii ramificate cunoscute sub numele de dendrite care pot primi mii de intrări electrice de la alte celule. Dendritele transmit aceste intrări către corpul principal al neuronului, unde acesta integrează apoi toate aceste semnale pentru a genera propriile impulsuri electrice.

Activitatea colectivă a acestor impulsuri electrice în grupuri specifice de neuroni este cea care formează reprezentările diferitelor informații și experiențe din creier.

Timp de decenii, neuroștiințele au considerat că creierul învață prin schimbarea modului în care neuronii sunt conectați între ei. Pe măsură ce noile informații și experiențe modifică modul în care neuronii comunică între ei și schimbă modelele lor de activitate colectivă, unele conexiuni sinaptice devin mai puternice, în timp ce altele devin mai slabe. Acest proces de plasticitate sinaptică este cel care produce reprezentări ale noilor informații și experiențe în creierul dumneavoastră.

Cu toate acestea, pentru ca creierul dumneavoastră să producă reprezentările corecte în timpul învățării, conexiunile sinaptice corecte trebuie să sufere modificările corecte la momentul potrivit. „Regulile” pe care creierul le utilizează pentru a selecta sinapsele care trebuie modificate în timpul învățării - ceea ce neuroștiințele numesc problema atribuirii creditelor - au rămas în mare parte neclare.

Definirea regulilor

Am decis să monitorizăm activitatea conexiunilor sinaptice individuale din creier în timpul învățării pentru a vedea dacă am putea identifica modelele de activitate care determină ce conexiuni ar deveni mai puternice sau mai slabe.

Pentru a face acest lucru, am codificat genetic biosenzori în neuronii șoarecilor care s-ar aprinde ca răspuns la activitatea sinaptică și neuronală. Am monitorizat această activitate în timp real pe măsură ce șoarecii învățau o sarcină care implica apăsarea unei pârghii într-o anumită poziție după un semnal sonor pentru a primi apă.

Am fost surprinși să constatăm că sinapsele de pe un neuron nu urmează toate aceeași regulă. De exemplu, oamenii de știință au crezut adesea că neuronii urmează ceea ce se numește reguli Hebbian, în care neuronii care se aprind în mod constant împreună, se conectează împreună. În schimb, am observat că sinapsele de pe diferite locații ale dendritelor aceluiași neuron urmează reguli diferite pentru a determina dacă conexiunile devin mai puternice sau mai slabe. Unele sinapse au aderat la regula Hebbian tradițională, conform căreia neuronii care se aprind în mod constant împreună își consolidează conexiunile. Alte sinapse au făcut ceva diferit și complet independent de activitatea neuronului.

Descoperirile noastre sugerează că neuronii, prin utilizarea simultană a două seturi diferite de reguli de învățare în diferite grupuri de sinapse, mai degrabă decât a unei singure reguli uniforme, pot regla mai precis diferitele tipuri de intrări pe care le primesc pentru a reprezenta în mod adecvat noile informații din creier.

Cu alte cuvinte, urmând reguli diferite în procesul de învățare, neuronii pot efectua mai multe sarcini și mai multe funcții în paralel.

Aplicații viitoare

Această descoperire oferă o înțelegere mai clară a modului în care conexiunile dintre neuroni se modifică în timpul învățării. Având în vedere că majoritatea tulburărilor cerebrale, inclusiv afecțiunile degenerative și psihiatrice, implică o anumită formă de funcționare defectuoasă a sinapselor, acest lucru are implicații potențial importante pentru sănătatea umană și societate.

De exemplu, depresia se poate dezvolta ca urmare a slăbirii excesive a conexiunilor sinaptice din anumite zone ale creierului, ceea ce face mai dificilă experimentarea plăcerii. Înțelegând cum funcționează în mod normal plasticitatea sinaptică, oamenii de știință ar putea să înțeleagă mai bine ce nu merge bine în depresie și apoi să dezvolte terapii pentru a o trata mai eficient.

Aceste descoperiri pot avea implicații și pentru inteligența artificială. Rețelele neuronale artificiale care stau la baza inteligenței artificiale au fost inspirate în mare măsură de modul în care funcționează creierul. Cu toate acestea, regulile de învățare pe care cercetătorii le folosesc pentru a actualiza conexiunile din cadrul rețelelor și pentru a antrena modelele sunt de obicei uniforme și, de asemenea, nu sunt plauzibile din punct de vedere biologic. Cercetările noastre pot oferi informații despre cum să dezvoltăm modele de inteligență artificială mai realiste din punct de vedere biologic, care sunt mai eficiente, au performanțe mai bune sau ambele.

Există încă un drum lung de parcurs până când vom putea utiliza aceste informații pentru a dezvolta noi terapii pentru tulburările creierului uman. Deși am constatat că conexiunile sinaptice de pe diferite grupuri de dendrite utilizează reguli de învățare diferite, nu știm exact de ce sau cum. În plus, deși capacitatea neuronilor de a utiliza simultan mai multe metode de învățare le crește capacitatea de a codifica informații, nu este încă clar ce alte proprietăți le-ar putea conferi acest lucru.

Sperăm că cercetările viitoare vor răspunde la aceste întrebări și ne vor ajuta să înțelegem mai bine modul în care creierul învață.