Hippocampusneuroner förutser belöningar

 

Neuroner i hippocampus förskjuter sin aktivitet bakåt i tiden för att förutse belöningar

Nyligen genomförda experimentella fynd tyder på att hippocampus, den region i hjärnan som främst är förknippad med minne och navigering, aktivt omorganiserar sina neurala mönster för att förutse framtida händelser. Forskare observerade att när möss lärde sig att navigera i en komplex uppgift, förskjuts de neurala signalerna som var förknippade med en belöning bakåt i tiden för att förutsäga resultatet innan det inträffade. Dessa resultat publicerades i tidskriften Nature.  

Hippocampus är en struktur formad som en sjöhäst belägen djupt inne i hjärnans temporallober. 

Neuroforskare har i årtionden insett att denna region är avgörande för att bilda nya minnen. Den ansvarar också för att skapa en kognitiv karta. Denna interna representation gör det möjligt för en organism att visualisera sin omgivning och navigera genom rymden. 

Biologer har traditionellt sett den kognitiva kartan som en relativt statisk registrering av omgivningen. Enligt denna uppfattning kodar hippocampus för funktioner som landmärken, gränser och platsen för resurser. Överlevnad kräver dock mer än bara en registrering av det förflutna. Ett djur måste använda sina tidigare erfarenheter för att förutsäga var mat eller säkerhet kommer att finnas i framtiden. 

Denna nödvändighet leder till teorin om prediktiv kodning. Denna teori antyder att hjärnan ständigt genererar modeller av världen för att uppskatta framtida resultat. När ett resultat matchar förutsägelsen lär sig hjärnan att dess modell är korrekt. När ett resultat är oväntat måste hjärnan uppdatera modellen. 

Även om denna teori är allmänt accepterad inom beräkningsneurovetenskap har det varit en teknisk utmaning att observera den fysiska omorganisationen av celler i hippocampus under långa perioder. De flesta neurala registreringstekniker kan bara spåra hjärnaktivitet under korta perioder. Denna begränsning gör det svårt att se hur interna kartor utvecklas när inlärningen konsoliderats över veckor. 

Mohammad Yaghoubi, forskare vid McGill University, siktade på att överbrygga denna klyfta. I samarbete med seniorförfattaren Mark Brandon vid Douglas Research Centre utformade Yaghoubi ett experiment för att spåra specifika neuroner över en längre tidsram. De försökte avgöra om hippocampuskartan omstrukturerar sig själv för att prioritera förutsägelsen av belöningar. 

Forskargruppen använde en sofistikerad avbildningsteknik som kallas kalciumavbildning. De injicerade ett modifierat virus i hjärnorna hos möss. dEtta virus fick neuroner att uttrycka fluorescerande protein som lyser när kalcium kommer in i cellen, vilket händer när en neuron avfyras. 

Forskarna implanterade sedan en indexlins med gradientbrytning, en liten mikroskopkomponent, ovanför hippocampus. Denna uppställning gjorde det möjligt för dem att fästa en miniatyrkamera, som bara väger några gram, på musens huvud.

Kameran registrerade fluroscensen hos hundratals individuella neuroner medan djuret rörde sig fritt. 

Eftersom denna metod förlitar sig på optisk avbildning snarare än fysiska elektroder, är den mindre invasiv för vävnaden över tid. Denna stabilitet gjorde det möjligt för Yaghoubi och hans kollegor att identifiera och övervaka exakt samma neuroner dag efter dag i flera veckor. De kunde sedan korrelera specifik cellaktivitet med djurens beteende under inlärningen. 

Mössen tränades att utföra en uppgift som kallas "fördröjd icke-matning-till-plats" inuti en automatiserad kammare. Apparaten hade en beröringskänslig skärm i ena änden och en belöningsutdelare i den andra. Uppgiften krävde att musen initierade ett försök och sedan observerade en provplats som lyste upp skärmen. 

Efter en kort fördröjning vidare skärmen den ursprungliga platsen bredvid en ny, unik plats. För att får en belöning var musen tvungen att ignorera den bekanta platsen och röra vid den nya platsen. Belöningen var en liten mängd jordgubbsmilkshake som levererades i motsatt ände av kammaren. Denna uppgift är kognitivt krävande eftersom den kräver att djuret lagrar information i arbetsminnet och tillämpar en specifik regel. 

I början av träningen noterade forskarna att en distinkt population av hippocampusneuroner avfyrades samtidigt när musen fick milkshaken. Dessa celler verkade vara specifikt anpassade till upplevelsen av att konsumera belöningen. Den neurala kartan var i detta skede starkt fokuserad på själva resultatet. 

Allt eftersom mössen upprepade uppgiften under veckor och deras prestationer förbättrades, började de neurala mönstren förändras. Forskarna observerade ett fenomen som beskrivs som bakåtpropagering av neural inställning. De celler som ursprungligen avfyrades först när de fick belöningen började avfyras tidiga i händelseförloppet. 

"Det vi fann var överraskande", sa Brandon. "Neural aktivitet som initialt nådde sin topp vid belöningen skiftade gradvis till tidigare ögonblick och uppstod så småningom innan mössen nådde belöningen." 

När mössen hade bemästrat uppgiften avfyrades dessa specifika neuroner medan djuret närmade sig belöningsporten. I visa fall skiftade avfyrningen helt tillbaka till det ögonblick då musen gjorde rätt val på pekskärmen. Cellerna hade förvandlats från sensorer föfr den nuvarande belöningen till prediktorer för den framtida belöningen. 

Studien analyserade även aktiviteten hos neuronpopulationen som helhet. I de tidiga stadierna av inlärning var en stor andel av de registrerade cellerna dedikerade till att koda belöningsplatsen. Detta resulterade i en överrepresentation av belöningsplatsen i musens mentala karta. 

Allt eftersom veckorna gick minskade andelen neuroner som var inställda på själva belöningen. Samtidigt ökade antalet neuroner som kodar för tillvägagångssättet och valperioden. Hjärnan verkade vara effektiv. När belöningen väl var förutsägbar behövdes färre resurser för att representera den. Den kognitiva ansträngningen skiftade mot de handlingar som krävdes för att erhålla den.

Denna omorganisation stödjer idén att hippocampus fungerar som en prediktiv anordning. Den bakåtgående förskjutningen i timing gör att hjärnan kan signalera en kommande händelse baserat på det aktuella sammanhanget. Denna prediktiva signal hjälper sannolikt till att styra djurets beteende och förstärker de handlingar som leder till positivt resultat. 

Forskarna bekräftade att denna förskjutning inte berodde på enkla förändringar i djurets hastighet eller position. De använde statistiska kontroller för att säkerställa att förändringen i avfyrningstidpunkten var en sann optimering av den kognitiva representationen. Konsistensen i resultaten från flera djur tyder på en grundläggande biologisk mekanism. 

"Hippocampus beskrivs ofta som hjärnans interna modell av världen", sa Brandon. "Det vi ser är att den här modellen inte är statisk; den uppdateras dag för dag allt eftersom hjärnan lär sig av fel förutsägelser. När resultaten blir de förväntade börjar neuroner i hippocampus reagera tidigare när de lär sig vad som kommer att hända härnäst."

Det finns flera begränsningar i studien som motiverar omnämnande. Forskningen utfördes på möss, och även om hippocampus är evolutionärt konserverad, innebär mänsklig kognition ytterligare lager av komplexitet. Ytterligare forskning är nödvändig för att bekräfta om identiska cellulära mekanismer driver prediktivt lärande i den mänskliga hjärnan. 

Dessutom fokuserade studien på en belöningsbaserad uppgift. Det återstår att se om hippocampus använder samma prediktiva backpropagation för negativa eller aversiva resultat. Framtida experiment kommer sannolikt att undersöka om hjärnan omkopplar sig på liknande sätt för att förutsäga hot eller straff. 

Resultaten kan ha implikationer för att förstå neurodegenerativa sjukdomar. Individer med Alzheimers sjukdom uppvisar ofta desorientering och svårigheter att lära sig av nya erfarenheter. Om den prediktiva kodmekanismen i hippocampus störs, skulle det kunna varför patienter kämpar med att förutse konsekvenser eller avigera i bekanta miljöer. 

Genom att visa att minneskretsar är dynamiska och prediktiva, erbjuder denna studie ett nytt perspektiv på hur hjärnan interagerar med tid. Hippocampus arkiverar inte bara det förflutna. Den rekonstruerar det aktivt för att förbereda sig för framtiden. 

https://www.psypost.org/hippocampal-neurons-shift-their-activity-backward-in-time-to-anticipate-rewards/?utm_source=dlvr.it&utm_medium=linkedin