Hur vet hjärnan vad näsan känner och vad ögonen ser när det neurala svaret på lukt och bilder ständigt förändras? Enligt neurovetenskapare måste det finnas ofattbara mekanismer i hjärnan som ännu inte har upptäckts. Det antas att det kommer att ta år av forskares arbete att förstå dem.
"Forskare ska veta vad som händer, men i det här fallet är vi djupt förvirrade."
Carl Schoonover och Andrew Fink är förbryllade. Som neurovetenskapare vet de att hjärnan måste vara flexibel, men inte överdrivet. Han måste omkonfigurera sig själv inför nya erfarenheter, men samtidigt konsekvent spegla omvärldens drag. Hur? En relativt enkel förklaring finns i läroböcker om neurovetenskap: vissa grupper av neuroner avfyras när deras ägare luktar rosor, ser en solnedgång eller hör ljudet av en klocka. Dessa representationer, mönstren för neural eldning, kommer sannolikt att förbli desamma från ögonblick till ögonblick. Men som Schunover, Fink och deras kollegor har upptäckt är det ibland inte så. De förändras, och de gör det i en oväntad och förvirrande grad.
Schunover, Fink och deras kollegor vid Columbia University genomförde ett experiment på möss: gnagare luktade samma lukt i flera dagar och veckor och registrerade neurons aktivitet i deras piriforma cortex, denna region i hjärnan är involverad i identifieringen av lukt. Vid ett visst ögonblick framkallade varje lukt upphetsning av olika grupper av neuroner i detta område. Men med tiden har sammansättningen av dessa grupper långsamt förändrats. Vissa neuroner slutade svara på lukt, medan andra tvärtom började. Efter en månad har var och en av grupperna nästan helt förändrats. Med andra ord var neuronerna som reagerade på lukten av ett äpple i maj och neuronerna som reagerade på samma lukt i juni olika från varandra på samma sätt som de neuroner som reagerar på lukten av ett äpple och lukten gräs i samma tidsintervall.
Naturligtvis är detta bara en studie av ett område av hjärnan och det gjordes på möss. Andra forskare har dock funnit att samma fenomen, kallat representationsdrift, förekommer i ett antal andra delar av hjärnan än piriform cortex. Dess existens är väl etablerad, men allt annat är ett mysterium. Schunover och Fink berättade för mig att de inte vet varför detta händer, vad det betyder, hur hjärnan klarar sig och vilken del av hjärnan som gör det. Hur kan djur bygga en långsiktig syn på världen om deras neurala svar på världen ständigt förändras? Om sådana förändringar är vanliga, "måste det finnas några ofattbara mekanismer i hjärnan som fortfarande är oupptäckta för att hålla saker och ting igång", säger Schunover.”Forskare ska veta vad som händer, men i det här fallet är vi djupt förvirrade. Enligt vår uppfattning kommer det att ta år att ta reda på detta.”
Det tog Schunover och Fink år helt enkelt att fastställa att representativ drift överhuvudtaget existerar i piriform cortex. De var tvungna att utveckla kirurgiska tekniker för att implantera elektroder i musens hjärna och, viktigast av allt, fixa dem på ett ställe i veckor. Endast på detta sätt kunde de vara säkra på att den registrerade driften orsakades av förändringar i neuroner, och inte av små rörelser av själva elektroderna. De började arbeta med det redan 2014. År 2018 var de övertygade om att de kunde få stabil data. Sedan började de låta de implanterade mössen periodiskt andas in olika lukter.
Teamet fann att om neuroner i piriform cortex reagerade på en viss lukt, är oddsen för att den ska svara om en månad bara en av 15. Vid varje givet ögonblick avfyrs samma antal neuroner som svar på en lukt, men specifika neuroner förändra. Om du andas in lukten dagligen, saktar driften ner men slutar inte. Inlärning påverkar inte heller det: om musen associerar en lukt med en liten elektrisk stöt, kommer neuronerna som reagerar på denna lukt fortfarande att förändras helt, men musen kommer att fortsätta att undvika denna lukt. "Tidigare var den rådande uppfattningen på detta område att neurala svar i sensoriska zoner är stabila över tiden", säger Yaniv Ziv, en neurovetenskapare vid Weizmann Institute som inte var inblandad i studien. "Upptäckten visar att så inte är fallet."
"Det har varit antydningar om detta under alla dessa 15 år", i olika delar av hjärnan, berättar Schunover för mig. Hippocampus, till exempel, hjälper djur att navigera i rymden. Den innehåller platsens celler, d.v.s. neuroner som selektivt avfyras när deras ägare är på en viss plats. Gå från sängen till ytterdörren, olika celler på platsen kommer att lysa upp i din hjärna. Men deras val är inte heller fast. Ziv och andra har visat att anpassningen av dessa celler till specifika platser förändras över tiden.
I ett annat experiment satte Laura Driscol, en neurovetenskapare nu på Stanford, möss i en virtuell T-formad labyrint och lärde dem att svänga åt vänster eller höger. Denna enkla uppgift styrs av den bakre parietala cortexen, hjärnregionen som är ansvarig för rumsligt tänkande. Driscoll och hennes kollegor fann att aktiviteten i denna zon också förändras: neuronerna som antändes i mushjärnan förändrades gradvis, även om gnagarna fortsatte att vända i samma riktning.
Resultatet var överraskande, men inte överväldigande. Hippocampus är också involverad i lärande och korttidsminne, så det förväntades omprogrammera sig själv och förändras ständigt. "Hittills har observationer av representativ drift begränsats till områden där vi kan ta det", förklarade Schunover. Detta är inte fallet med piriform cortex. Det är det sensoriska centrumet, hjärnans område som gör att hjärnan kan uppfatta stimuli runt den. Det måste vara stabilt. Hur ska man annars komma ihåg lukt? Om representativ drift kan inträffa i piriform cortex kan det vara vanligt i hela hjärnan.
Det kan vara mindre vanligt i andra sensoriska centra, såsom den visuella cortexen, där information från ögonen bearbetas. Neuronerna som svarar på lukten av gräs kan förändras från månad till månad, men receptorerna som svarar på synen på barken verkar i stort sett vara desamma. Kanske beror detta på att den visuella cortexen är mycket organiserad. Intilliggande grupper av neuroner är vanligtvis ansvariga för sammanhängande delar av det visuella utrymmet runt dem, och denna ordnade distribution kan begränsa det neurala svaret och förhindra att det rör sig långt. Detta gäller dock förmodligen bara för enkla visuella signaler som linjer eller ränder. Ziv hittade representativ drift även i den visuella cortexen i ett experiment på möss som tittade på samma film dag efter dag.
"Vi har en misstanke om att detta är mer regel än undantag", säger Schunover. "Nu är vår uppgift att hitta områden där detta inte händer." Och till de platser där det händer, "det finns tre frågor", tillägger Fink. - Hur fort går processen? Hur långt går det? Och … hur allvarligt är det?"
Hur vet hjärnan vad näsan känner och vad ögonen ser när det neurala svaret på lukt och bilder ständigt förändras? Det första alternativet är att han på något sätt vänjer sig vid denna drift. Exempelvis kan delar av hjärnan som är associerade med piriform cortex gradvis kunna ändra sin uppfattning om vad neurons aktivitet i detta område betyder. Hela systemet förändras, men i synkronisering.
Ett annat alternativ är att några av de höga nivåerna hos de avfyrande neuronerna förblir desamma, även om de specifika aktiva nervcellerna förändras. Låt oss ta ett enkelt exempel. Timothy O'Leary, en neurovetenskaplig forskare vid Cambridge University, berättade för mig att”medlemmar i befolkningen kan ändra åsikt samtidigt som de håller en allmän konsensus. I en stor befolkning finns det många sätt att representera samma signal, så neuralkoden har utrymme att manövrera. Även om forskare har hittat tecken på dessa stabila mönster på hög nivå i andra förändrade delar av hjärnan, kunde Schunover och Fink inte hitta dem i piriform cortex. Varken de eller deras kollegor kan berätta exakt hur hjärnan hanterar representativ drift. De är inte heller säkra på varför det här händer alls.
Drift kan bara vara ett nervsystemsfel som måste åtgärdas. "Anslutningar i olika delar av hjärnan bildas och förstörs ständigt, varje neuron i sig själv ständigt bearbetar cellulärt material", säger O'Leary. Kanske är ett sådant system, en grå klibbig version av Theseus skepp, avsett att förändras med tiden. Men enligt O'Leary är denna idé "svag". Nervsystemet kan upprätthålla exakta, riktade förbindelser, till exempel mellan muskler och nerverna som styr dem. Att driva verkar inte nödvändigt.
Å andra sidan kan en sådan drift förmodligen vara fördelaktig. Genom att ständigt ändra hur ny information lagras, behåller nervsystemet troligen förmågan att införa ny information. "Information som inte behövs hela tiden glöms bort, medan användbar information uppdateras när den driver", förklarar Driscoll, som nu testar denna teori på artificiella nätverk. "Ju längre jag tänker på att driva, desto mer blir det klart att något sådant här borde vi se i hjärnan." Schunover gillar också den här tanken:”Vår favoritförklaring är att det är en symbol för lärande. Detta är inte själva lärandet, utan en manifestation av denna process."
Schunover och Fink jämför upptäckten av representativ drift med astronomen Vera Rubins arbete. På 70 -talet märkte Rubin och hennes kollega Kent Ford att vissa galaxer roterade på oväntade sätt, som om de bryter mot Newtons lagar. De data som analyserades av Rubin var det första direkta beviset på förekomsten av mörk materia, som utgör det mesta av materia i universum, men har aldrig observerats. På samma sätt, förklarar Schunover, visar driften att "det händer något annat bakom kulisserna, men vi vet inte vad än."
Genom att jämföra driften med galaxernas rotation fann Rubin en viktig felaktighet. Rubin visste att hon upptäckte något utöver det vanliga eftersom hon kunde jämföra sina fynd med Newtons mekanik, en robust och väldokumenterad fysisk teori. Det finns dock ingen sådan teori inom neurovetenskap. Det finns en mycket klar förståelse för hur enskilda neuroner fungerar, men saker blir mer suddiga när det gäller neurala system, hela hjärnan eller djurens beteende.
Tänk bara på tanken att vissa mönster av neural eldning kan representera olika lukter, sevärdheter eller ljud. Denna koppling verkar tillräckligt enkel ur en forskares synvinkel som utsatte ett djur för en stimulans och nu letar efter aktiva neuroner i hjärnan. Hjärnan fungerar dock bara med en del av ekvationen, den behöver förstå vad som kan orsaka sådan aktivitet. "Även om vi kan avkoda den här informationen betyder det inte att hjärnan gör det", säger John Krakauer, neurovetenskapare vid Johns Hopkins University.
Det är därför, enligt Krakauer, studien av Schunover och Fink, om än "tekniskt uppfinningsrik", men samtidigt "lite långsökt". Idén om drift, förklarar han, överraskar och glädjer sig bara i jämförelse med en läroboksbaserad naiv framställning av representationer som aldrig har varit vetenskapligt underbyggd och länge ifrågasatts. Som han berättade för mig är detta ett bredare problem för hela området. "Mycket av neurovetenskap handlar om att ta ett mycket specifikt sätt och resultat och förpacka dem i ett vagt moln av begrepp som få inom vetenskapen håller med om", förklarar han. "Ofta inom neurovetenskap förblir lokalerna oanalyserade, men allt annat är felfritt."
Fink håller med om att idén om stabil representation aldrig var en teori, utan snarare ett "tyst antagande" och höll fast vid det "eftersom det är enkelt." Hur kan det vara annars? Kanske. Nu då?
"Det finns en verklig törst efter nya idéer inom vårt område", sa Fink till mig, varför han och Schunover enligt hans åsikt ännu inte har mött det hårda motstånd som forskare, vars data bryter dogma, vanligtvis möter.”Människor behöver desperat teorier. Vårt område är så omoget i begreppsmässiga termer att vi fortfarande är i stadiet med att samla in information och i vår position kan vi inte utesluta någonting. " Neurovetenskapens egen förståelse av hjärnan har gott om utrymme att driva.
