Wenn Cortex aufhört, Sinn zu machen

Was lernen wir, wenn der Kortex nutzlos ist?

Chamäleon Designs / Nomen Projekt

Der Kortex, dieser vielschichtige Kuchen aus Neuronen, nimmt in den Neurowissenschaften einen besonderen Platz ein. Unsere beste Vermutung an der Wurzel unserer erstaunlichen intellektuellen Fähigkeiten - der Sprache, der Skulptur, des Basisspringens in einem Kilt - ist, dass unser Kortex mit Neuronen weitaus dichter ist als jede andere Spezies. Unser dominanter Sinn, das Sehen, beherrscht ein Drittel oder mehr des gesamten Kortex. Und seine exquisiten Schaltkreise deuten auf teuflisch komplexe Berechnungen, Wahrscheinlichkeiten, Schlussfolgerungen und Algorithmen hin, von denen AIs nur träumen können. Wenn wir das Gehirn aus menschlicher Sicht verstehen wollen, müssen wir im Kortex beginnen.

(Die Tatsache, dass es bei weitem der am einfachsten zu erfassende Teil des Gehirns sowohl bei Tieren als auch bei Menschen ist, da es ganz oben steht, ist völlig zufällig und wird uns hier nicht weiter aufhalten.)

Es ist also ein richtiger Mistkerl, wenn sich herausstellt, dass der Kortex im Wesentlichen nutzlos ist. Kate Hong und Kollegen in Randy Brunos Labor haben genau das berichtet: Eine Maus kann gerne einen einzelnen Whisker verwenden, um ein Problem zu lösen, selbst wenn das spezielle Stück Kortex, das diesen bestimmten Whisker darstellt, fehlt. Schlimmer noch, die Maus kann sogar lernen, das Problem von Grund auf zu lösen, ohne zu bemerken, dass sie ein Loch in ihrer Kortikalis hat, in dem viele wichtige Dinge passieren sollten.

Ist der Kortex dann nur eine Decke, um den Rest des Gehirns warm zu halten? (Peter Redgrave, bei unzähligen Gelegenheiten). Nein, aber verdammt, wir müssen vorsichtig sein, wofür Kortex notwendig ist.

Hong und seine Freunde wollten eine andere Frage beantworten: Was ist der Unterschied zwischen dem vorübergehenden und dauerhaften Ausschalten eines Kortex? Wenn Sie solch komplexe Affen mit ein bisschen Kortex herumspielen möchten, müssen Sie ein einfaches Verhalten studieren und in der Lage sein, ein bisschen Kortex auszuschalten, das an diesem Verhalten beteiligt sein sollte.

Jetzt wissen Sie vielleicht, dass Mäuse Schnurrhaare haben. Das Schöne an Whiskern ist, dass jeder große Whisker eine Reihe dedizierter Neuronen im Kortex hat, die normalerweise nur dann aktiv sind, wenn dieser große Whisker optimiert, getupft oder in etwas geschlagen wird. Und es ist (relativ) einfach, diese Neuronen zu finden, da Sie den Whisker optimieren und herausfinden können, welches Stück Kortex aufleuchtet. Das Stück Kortex, das einen großen Whisker darstellt, ist dann ein saftiges Ziel, um es auszuschalten und zu sehen, was passiert.

Also stellten Hong und Freunde ihre Mäuse vor die Aufgabe, mit einem großen Schnurrbart eine Stange zu entdecken. Bei jedem Versuch hielt die Maus einen Hebel gedrückt, um anzuzeigen, dass sie bereit war, den Test durchzuführen. Dann schwang die Stange entweder in Reichweite ihres großen Schnurrhaars oder sie schwang in die andere Richtung, außer Reichweite. Wenn sich die Stange in Reichweite befand, bedeutete dies, dass eine Belohnung verfügbar war. Wenn sich die Stange außerhalb der Reichweite befand, bedeutete dies, dass momentan keine Belohnung verfügbar war und die Maus den Hebel gedrückt halten musste, bis die Stange zurückgesetzt wurde - dann konnte sie loslassen und in ihrer eigenen Zeit erneut starten.

Der Test der Maus bestand also darin, ihren Schnurrbart zu schwingen und zu sehen, ob er die Stange traf. Ein Treffer sollte für die Maus bedeuten: „Aha! Ich kann gehen und eine Belohnung bekommen “; Ein Fehlschlag sollte bedeuten: „Aha! Es gibt keine Belohnung; Ich werde hier warten und diesen Hebel aus einem willkürlichen Grund weiter drücken, der nur den Dorken dort in weißen Kitteln bekannt ist. “

Mäuse mussten dies alles durch Versuch und Irrtum lernen - einen Hebel drücken, den Schnurrbart schwingen, eine Stange treffen (oder nicht) und den Hebel loslassen (oder nicht). Sie lernen das schnell. Schneller als einige von uns würde ich wetten.

Nachdem die Mäuse gelernt hatten, schalteten Hong und seine Freunde die kortikalen Neuronen des großen Whiskers dauerhaft aus, indem sie sie entfernten. Und siehe da, die Leistung ging sofort in den Topf. Die Mäuse trafen die falschen Entscheidungen darüber, ob die Stange getroffen wurde oder nicht, und erhielten dadurch weit weniger Belohnungen.

Nichts Unerwartetes dort. Affe im Kortex herum und es macht ein Durcheinander von Leistung, großer Schrei. Aber jetzt der Kicker: Die schreckliche Leistung war am ersten Tag nach dem Entfernen der Neuronen. Am zweiten Tag nach der Entfernung erholten sich die Mäuse vollständig. Sie zeigten genau das, was sie getan hatten, bevor jemand mit ihrer Kortikalis herumgespielt hatte. Und das für alle folgenden Tage.

Was Hong und seine Kollegen zu der entscheidenden Frage führte: Wenn Mäuse die Aufgabe anscheinend innerhalb eines Tages neu lernen können, brauchten sie dieses Stück Kortex überhaupt, um überhaupt zu lernen?

Nein, haben sie nicht. Das Entfernen der Neuronen des großen Whiskers aus dem Kortex vor dem Training hatte keinerlei Auswirkungen auf das Lernen. Mäuse lernten gleich schnell und gleich gut mit oder ohne dieses Stück Kortex. Meine Güte.

Das Ergebnis dieser Studie mag einfach erscheinen, hat aber viele Konsequenzen. Hier gibt es Lektionen für jeden ernsthaften Schüler, wie das Gehirn funktioniert.

Lektion eins ist, dass die Feststellung der Kausalität ein Schmerz ist. Sie würden denken, dass das Ausschalten eines Teils des Gehirns und das Sehen, dass ein Verhalten bricht, große Kahuna-Beweise dafür sind, dass der betreffende Gehirnteil dieses Verhalten verursacht. Aber nein. Hier haben uns Hong und Co erneut gezeigt, dass das Ausschalten eines Gehirnbits keine Kausalität begründet.

Um zu verdeutlichen, wie irreführend dieses Ausschalten sein kann, nutzte Hong in einer separaten Reihe von Experimenten die großartige Toolbox der modernen Neurowissenschaften, um die kortikalen Neuronen, die diesen großen Whisker darstellen, vorübergehend auszuschalten, jedoch nur bei einigen zufällig ausgewählten Versuchen (AKA, die sie a ausdrückten) lichtempfindliches Opsin in den Pyramidenzellen des Fasses C2, das bei Aktivierung mit Licht das Spiking in diesen Neuronen unterdrückte). Und die Leistung wurde nur bei den Versuchen gesteigert, als die Neuronen ausgeschaltet wurden, und blieb bei den restlichen Versuchen in Ordnung. Unkritisch gelesen würde dies bedeuten, dass die großen Whisker-Neuronen für die Ausführung der Aufgabe unerlässlich sind - schließlich, wann immer Sie sie ausschalten, Leistungstanks. Wir wissen jedoch, dass dies nicht der Fall ist: Das gleiche Stück Kortex könnte vollständig ausgeschaltet werden, und dennoch könnten die Mäuse die Aufgabe übernehmen.

Lektion zwei ist, dass die Feststellung der Kausalität ein Schmerz ist. Selbst wenn die Neuronen des großen Whiskers ausgeschaltet oder entfernt wurden, war der Leistungsabfall nicht auf zufällige Vermutungen zurückzuführen. Die Mäuse waren immer noch besser als der Zufall, so dass etwas anderes im Gehirn die Aufgabe noch ein wenig bewältigen konnte. In der Tat, als Hong und Co vorübergehend den großen Whisker selbst entfernten, brach die Leistung der Mäuse vollständig zusammen, und sie konnten nur besser erraten, wo sich die Stange befand. Was sie natürlich taten.

Lektion drei ist, dass die Feststellung der Kausalität ein Schmerz ist. Beachten Sie, dass das Entfernen der großen Whisker-Neuronen die Mäuse, die die Aufgabe bereits gelernt hatten, sofort beeinträchtigte. Das Entfernen der großen Whisker-Neuronen vor dem Lernen hatte jedoch keine Auswirkungen auf das Lernen selbst. Nur weil eine Gehirnregion an der Ausführung einer Aufgabe beteiligt zu sein scheint, bedeutet dies nicht, dass es wichtig ist, diese Aufgabe zu lernen. Und umgekehrt: Eine Gehirnregion kann notwendig sein, um sie zu lernen, aber nicht.

Lektion vier ist, dass es ein Schmerz ist, CAUSALITY herzustellen. Wie bereits von Otchy und Co. erwähnt, stellt Performance Tanks, weil Sie ein wenig Gehirn abgeschaltet haben, sich aber schnell erholen, tatsächlich das Gegenteil von dem fest, was Sie tun wollten. Dies bedeutet, dass das Drehen dieses Kortexstücks die normale Funktion eines anderen Teils des Gehirns beeinträchtigte - das Stück, das die Aufgabe ohne Kortex perfekt erledigen könnte. Alles, was Sie gezeigt haben, ist, dass das Stück Kortex, das Sie ausgeschaltet haben, einen anderen Teil des Gehirns nervt. Und wenn Sie die normalen Signale von diesem Kortex abschalten, wird ein weiteres Stück Gehirn aus dem Gleichgewicht gebracht.

Unsere letzte Lektion ist die tiefste: Entartung. Oder das Gehirn hat mehrere Lösungen für dasselbe Problem. Die Signale des Whiskers gehen an viele Stellen im Gehirn, nicht nur an den Kortex. Sie gehen zu verschiedenen Teilen des Thalamus und des Hirnstamms, die dann die Signale an andere komplexe Teile des Gehirns weiterleiten, die kein Kortex sind (wie Striatum oder Colliculus superior). Die Daten von Hong und Co zeigen, dass für eine so einfache Aufgabe wie „Ist der Pol da oder nicht?“ Nicht erforderlich ist, dass die großen Whiskersignale zu den großen Whisker-Teilen des Kortex geleitet werden - es gibt andere Teile des Gehirns, die gleichermaßen dazu in der Lage sind Lösung des Problems.

Es scheint, dass wir eine einfache Regel über das Gehirn der Maus gelernt haben: Wenn Kortex vorhanden ist, verwenden Sie diese; Wenn nicht, kann etwas anderes damit umgehen. Die Frage ist, wie komplex eine Aufgabe sein muss, bevor nur der Kortex sie bewältigen kann. Die Antwort ist mit ziemlicher Sicherheit die Hölle von Jean-Pipsqueak Sartre: Umgang mit anderen Mäusen.

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