Wenn Cortex aufhört, Sinn zu machen

Was lernen wir, wenn der Kortex unbrauchbar ist?

Chameleon Designs / Substantiv Project

Der Kortex, der aus vielen Schichten von Neuronen besteht, nimmt in den Neurowissenschaften einen besonderen Platz ein. Wir gehen davon aus, dass unser Kortex weitaus dichter mit Neuronen besetzt ist als jede andere Spezies. Unser dominierender Sinn, das Sehen, beherrscht ein Drittel oder mehr der gesamten Hirnrinde. Und seine exquisite Schaltung deutet 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 mit Abstand der einfachste Teil des Gehirns ist, von dem sowohl Tiere als auch Menschen aufnehmen können, da es ganz oben ist, ist völlig zufällig und wird uns hier nicht weiter aufhalten.)

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

Ist Cortex 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 wir den Cortex für notwendig halten.

Hong und Freunde machten sich daran, eine andere Frage zu beantworten: Was ist der Unterschied zwischen vorübergehendem und permanentem Ausschalten eines Teils der Hirnrinde? Wenn Sie so komplexe Affenaktivitäten mit ein bisschen Kortex durchführen möchten, müssen Sie ein einfaches Verhalten zum Lernen haben 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 Big Whisker eine Reihe von speziellen Neuronen im Cortex hat, die normalerweise nur dann aktiv sind, wenn dieser Big Whisker gezwickt, getupft oder in etwas eingeschlagen wird. Und es ist (relativ) einfach, diese Neuronen zu finden, da Sie den Whisker zwicken und herausfinden können, welche Rinde aufleuchtet. Das Kortexstück, das einen großen Bart darstellt, ist dann ein saftiges Ziel, um es auszuschalten und zu sehen, was passiert.

Also stellten Hong und Freunde ihre Mäuse vor die Aufgabe, eine Stange mit einem großen Bart zu entdecken. Bei jedem Versuch drückte die Maus einen Hebel, um anzuzeigen, dass sie für den Test bereit war. Dann schwang entweder die Stange 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 die Stange außerhalb der Reichweite war, bedeutete dies, dass im Moment keine Belohnung verfügbar war und die Maus den Hebel gedrückt halten musste, bis die Stange zurückgesetzt wurde - dann konnte sie loslassen und zu ihrer eigenen Zeit wieder von vorne beginnen.

Der Test der Maus bestand also darin, den Whisker zu schwingen und zu prüfen, ob er die Stange berührt. Ein Treffer sollte für die Maus bedeuten: „Aha! Ich kann gehen und eine Belohnung bekommen “; ein Miss sollte „aha! Es gibt keine Belohnung; Ich warte hier und drücke aus einem beliebigen Grund, den nur die Dorken dort in weißen Kitteln kennen, weiter auf diesen Hebel. "

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

Sobald die Mäuse gelernt hatten, schalteten Hong und seine Freunde die kortikalen Neuronen des großen Schnurrhaars 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 infolgedessen weit weniger Belohnungen.

Nichts Unerwartetes. 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 leisteten genau so gut, wie sie es getan hatten, bevor sich jemand mit ihrer Hirnrinde herumtollte. Und das für alle folgenden Tage.

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

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

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

Die erste Lektion besagt, dass die Feststellung der Kausalität ein Schmerz ist. Sie würden denken, dass das Ausschalten eines Teils des Gehirns und das Erkennen, 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 Gehirnstücks keine Kausalität begründet.

Um zu verdeutlichen, wie irreführend dieses Ausschalten sein kann, benutzte Hong in einer Reihe von Experimenten die großartige Toolbox der modernen Neurowissenschaften, um vorübergehend die kortikalen Neuronen auszuschalten, die diesen großen Whisker repräsentieren, aber nur in einigen, zufällig ausgewählten Versuchen (AKA, die sie ausdrückten, a lichtempfindliches Opsin in den Pyramidenzellen des Zylinders C2, das bei Aktivierung mit Licht das Aufstocken dieser Neuronen unterdrückt). Und die Leistung wurde nur bei den Versuchen gesteigert, als die Neuronen ausgeschaltet wurden, und blieb auch bei den restlichen Versuchen in Ordnung. Unkritisch zu lesen, würde bedeuten, dass die großen Whisker-Neuronen für die Ausführung der Aufgabe unerlässlich waren - schließlich, wenn 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 noch erledigen.

Die zweite Lektion besagt, dass die Feststellung der Kausalität ein Schmerz ist. Selbst wenn die Neuronen des großen Schnurrhaars ausgeschaltet oder entfernt wurden, war der Leistungseinbruch nicht auf zufällige Vermutungen zurückzuführen. Die Mäuse machten es immer noch besser als der Zufall, sodass etwas anderes im Gehirn die Aufgabe noch ein wenig bewältigen konnte. In der Tat, als Hong und Co. vorübergehend den großen Bart selbst entfernten, brach die Leistung der Mäuse vollständig zusammen, und sie konnten nur zufällig raten, wo sich die Stange befand. Was sie natürlich taten.

Die dritte Lektion besagt, 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 Hirnregion kann notwendig sein, um es zu lernen, aber nicht.

Die vierte Lektion besagt, dass das Herstellen von URSPRÜNGLICHKEIT ein Schmerz ist. Wie bereits von Otchy und Co. bemerkt, stellt sich das Gegenteil von dem ein, was Sie tun wollten, wenn Leistungstanks, weil Sie ein bisschen Gehirn abgeschaltet haben, sich aber schnell erholen. Dies bedeutet, dass das Drehen dieses Kortexstücks die normale Funktion eines anderen Gehirnstücks beeinträchtigte - das Stück, das die Aufgabe ohne Kortex perfekt ausführen kann. Alles, was Sie gezeigt haben, ist, dass das abgeschaltete Kortexstück einen anderen Teil des Gehirns stört. Und wenn Sie die normalen Signale von diesem Teil der Hirnrinde ausschalten, gerät ein weiteres Stück Gehirn aus dem Gleichgewicht.

Unsere letzte Lektion ist die tiefste: Entartung. Oder das Gehirn hat mehrere Lösungen für das gleiche Problem. Die Signale des Whiskers gelangen an viele Stellen im Gehirn, nicht nur in die Hirnrinde. Sie wandern 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 der obere Kollikulus). Die Daten von Hong and Co. zeigen, dass bei einer so einfachen Aufgabe wie „Ist der Pol da oder nicht?“ Die Big Whisker-Signale nicht zu den Big Whisker-Teilen des Kortex geleitet werden müssen - es gibt andere Gehirnteile, die ebenfalls dazu in der Lage sind Lösung des Problems.

Es scheint, als hätten wir eine einfache Regel über das Mausgehirn gelernt: Wenn Kortex vorhanden ist, benutze diesen. wenn nicht, kann etwas anderes fertig werden. Die Frage ist, wie komplex eine Aufgabe sein muss, bevor nur der Kortex sie bewältigen kann. Die Antwort ist mit ziemlicher Sicherheit Jean-Pipsqueak Sartres Hölle: Umgang mit anderen Mäusen.

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