ชีวิตเต็มไปด้วยกระบวนการที่ต้องเรียนรู้และเรียนรู้ใหม่เมื่อมีความซับซ้อนมากขึ้น วันหนึ่งคุณลงชื่อเข้าใช้แอปด้วยรหัสผ่านเพียงอย่างเดียว จากนั้นในวันถัดไป คุณจะต้องมีรหัสที่ส่งข้อความถึงคุณด้วย วันหนึ่ง คุณสามารถใส่อาหารกลางวันที่เข้าไมโครเวฟได้ที่คุณโปรดปรานลงในเตาอบเป็นเวลาหกนาทีติดต่อกัน แต่แล้วบรรจุภัณฑ์จะเปลี่ยนไป และคุณต้องปรุงเป็นเวลาสามนาที คนให้เข้ากัน แล้วจึงอุ่นอีกสามวัน สมองของเราต้องการวิธีการตามให้ทัน การศึกษาใหม่โดยนักประสาทวิทยาที่สถาบัน Picower เพื่อการเรียนรู้และความจำที่ MIT เผยให้เห็นวงจรบางอย่างที่ช่วยให้สมองของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมเรียนรู้ที่จะเพิ่มขั้นตอน
ในNature Communicationsนักวิทยาศาสตร์รายงานว่าเมื่อพวกเขาเปลี่ยนกฎของงานที่ต้องการให้หนูปรับตัวจากการทำขั้นตอนเดียวเป็นสองขั้นตอน ซึ่งเป็นบริเวณคู่บนพื้นผิวสมองหรือเยื่อหุ้มสมอง ได้ร่วมมือกันปรับปรุงความเข้าใจนั้นและเปลี่ยนหนู ‘ พฤติกรรมให้เข้ากับระบอบใหม่ anterior cingulate cortex (ACC) ดูเหมือนจะรับรู้ได้เมื่อหนูไม่ได้ทำเพียงพอและอัปเดตเซลล์ใน motor cortex (M2) เพื่อปรับพฤติกรรมของงาน
“ฉันเริ่มโครงการนี้เมื่อประมาณเจ็ดหรือแปดปีที่แล้วเมื่อฉันต้องการศึกษาการตัดสินใจ” Daigo Takeuchi นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโตเกียวซึ่งเป็นผู้นำงานนี้ในฐานะ postdoc ที่ RIKEN-MIT Laboratory for Neural Circuit Genetics ที่ สถาบัน Picower กำกับโดยผู้เขียนอาวุโสและศาสตราจารย์Susumu Tonegawaของ Picower “การศึกษาใหม่กำลังค้นหาบทบาทของ M2 ฉันต้องการศึกษาว่าวงจรต้นน้ำมีอิทธิพลต่อสิ่งนี้อย่างไร”
สะดุดก้าวที่สอง
ทาเคอุจิและโทเนกาวะติดตามการเชื่อมต่อวงจรประสาทที่นำไปสู่ M2 และพบว่ามีหลายอย่างเกิดขึ้นจาก ACC พวกเขาเริ่มเห็นบทบาทของ ACC ในการชี้นำการตัดสินใจตามลำดับของ M2 เมื่อพวกเขาปลูกฝังการจัดการทางพันธุกรรมในเซลล์ ACC ที่อนุญาตให้พวกเขาระงับกิจกรรมของพวกเขา การปิดใช้งาน “เคมีเจเนติก” ของ ACC มีผลเฉพาะเจาะจงมาก เมื่อกฎของงานเปลี่ยนไป แทนที่จะต้องจิ้มจมูกของพวกมันให้เหลือเพียงรูเดียวเพื่อรับรางวัลเล็กน้อย หนูต้องจิ้มจมูกของพวกมันเป็นสองรูตามลำดับ หนูที่มี ACC แบบเงียบใช้เวลานานกว่ามากในการเปลี่ยนแปลงกฎ . เมื่อเทียบกับหนูที่มีกิจกรรม ACC ปกติ พวกมันล้มเหลวนานกว่ามากที่จะรู้ว่าการกระตุ้นครั้งที่สองเป็นสิ่งจำเป็น หนูไม่มีปัญหาอะไร แต่เปลี่ยนจากสองก้าวกลับไปเป็นก้าวเดียว โดยไม่คำนึงว่า ACC ของพวกมันจะถูกปิดเสียงหรือไม่
เมื่อนักวิทยาศาสตร์ปิดเสียงขั้วของเซลล์ ACC ใน M2 ด้วยวิธีทางเคมี พวกเขาก็ได้ผลลัพธ์เช่นเดียวกับการปิดเสียง ACC โดยรวม พวกเขายังปิดเสียงส่วนอื่น ๆ ของเยื่อหุ้มสมองด้วย แต่การทำเช่นนี้ไม่ส่งผลต่อความสามารถของหนูในการสังเกตและปรับให้เข้ากับสวิตช์กฎ การจัดการเหล่านี้ร่วมกันยืนยันว่าเป็นการเชื่อมต่อของ ACC กับ M2 โดยเฉพาะที่ช่วยให้หนูสังเกตเห็นและปรับให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงแบบหนึ่งขั้นตอนต่อสอง
แต่ ACC มีผลกระทบอะไรใน M2? ทาเคอุจิและผู้เขียนร่วมของเขาวัดกิจกรรมทางไฟฟ้าของเซลล์ใน M2 ขณะที่หนูเล่นเกมเปลี่ยนกฎ พวกเขาพบว่าเซลล์จำนวนมากถูกเปิดใช้งานโดยเฉพาะอย่างยิ่งตามกฎงานที่แตกต่างกัน (เช่น หนึ่งขั้นตอนหรือสองขั้นตอน) เมื่อพวกเขาปิดเสียง ACC นั่นเป็นการระงับการเลือกกฎนี้
ภายใน M2 ทาเคอุจิและทีมงานยังสังเกตเห็นประชากรของเซลล์ประสาทที่ตอบสนองต่อผลลัพธ์ในเชิงบวก (รางวัลสำหรับการทำงานที่ถูกต้อง) และผลลัพธ์เชิงลบ (ไม่ได้รับรางวัลสำหรับการทำงานที่ผิดพลาด) พวกเขาพบว่าเมื่อพวกเขาปิด ACC สิ่งนี้จะเพิ่มกิจกรรมของเซลล์ประสาทที่เข้ารหัสผลลัพธ์เชิงลบในระหว่างการป้อนกลับเชิงลบ โดยเฉพาะสำหรับ 10-20 รอบแรกหลังจากกฎเปลี่ยนจากขั้นตอนหนึ่งเป็นสอง สิ่งนี้มีความสัมพันธ์อย่างมากกับช่วงเวลาหรือ “ยุค” ของการแสดงที่แย่ที่สุดของหนู
“ดูเหมือนว่าการหยุดชะงักของประสิทธิภาพทางเลือกที่สองของสัตว์ในยุคที่เฉพาะเจาะจงนั้นสัมพันธ์กับการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเซลล์ประสาทที่กระตุ้นผลลัพธ์เชิงลบที่มากเกินไปซึ่งเกิดจากการปิดเสียง ACC” พวกเขาเขียนในการศึกษา
ทีมงานยืนยันเพิ่มเติมว่าข้อเสนอแนะหรือผลลัพธ์มีความสำคัญโดยใช้เทคนิคอื่นในการปิดปาก ACC โดยวิศวกรรมเซลล์ประสาท ACC ให้ถูกระงับโดยแสงวาบ (เทคนิคที่เรียกว่า “ออปโตเจเนติกส์”) พวกเขาสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำเมื่อ ACC ออฟไลน์ พวกเขาพบว่าหากพวกเขาทำอย่างนั้นหลังจากที่หนูเลือกผิดเมื่อกฎเปลี่ยนจากการสะกิดหนึ่งครั้งเป็นสองครั้ง พวกเขาอาจทำให้หนูทำผิดพลาดต่อไปได้ การปิดเสียงออปโตเจเนติกส์ของ ACC หลังจากที่หนูเลือกถูกต้องแล้ว ไม่ได้บ่อนทำลายพฤติกรรมที่ตามมาของพวกมัน
“ผลลัพธ์เหล่านี้บ่งชี้ว่าเซลล์ประสาท ACC ประมวลผลข้อมูลป้อนกลับข้อผิดพลาดหลังจากการตอบสนองครั้งที่สองที่ผิดพลาดและใช้ข้อมูลนี้เพื่อปรับการตอบสนองทางเลือกตามลำดับของสัตว์ในการทดลองครั้งต่อ ๆ ไป” พวกเขาเขียน
เกณฑ์สูงเกินไป
หลักฐานแสดงให้เห็นภาพที่ชัดเจน: เมื่อหนูจำเป็นต้องสังเกตว่าต้องมีขั้นตอนเพิ่มเติม หน้าที่ของ ACC คือการเรียนรู้จากผลตอบรับเชิงลบและส่งสัญญาณให้ M2 ดำเนินการขั้นตอนที่สอง หากไม่มี ACC เมื่อมีการป้อนกลับ เซลล์ M2 ที่เน้นผลลัพธ์ด้านลบก็จะเริ่มทำงานโดยเฉพาะอย่างยิ่ง และหนูจะไม่ทำขั้นตอนที่ 2 ที่จำเป็นชั่วระยะเวลาหนึ่งก่อนที่จะตามทันในที่สุด
เหตุใดกิจกรรม ACC ที่น้อยลงจึงเพิ่มกิจกรรมการเข้ารหัสผลลัพธ์เชิงลบของเซลล์ใน M2 ทาเคอุจิตั้งสมมติฐานว่าสิ่งที่ ACC กำลังทำอยู่คือการกระตุ้นเซลล์ยับยั้งใน M2 ซึ่งปกติจะปรับการทำงานของเซลล์เหล่านั้น เมื่อกิจกรรม ACC ลดลง ผลลัพธ์เชิงลบที่เข้ารหัสเซลล์ M2 จะถูกยับยั้งน้อยลง ผลลัพธ์ทางพฤติกรรม เขาตั้งทฤษฎีว่า หนูจึงต้องการหลักฐานมากกว่าที่ควรจะเป็นในการเปลี่ยนแปลงกฎ กลไกไม่ชัดเจน Takeuchi ยอมรับ แต่เห็นได้ชัดว่าหนูต้องการเวลามากกว่านี้เพื่อสัมผัสผลลัพธ์จากการตัดสินใจที่ถูกต้องในขั้นที่สอง ก่อนที่พวกมันจะเชื่อว่าพวกมันมาถูกทางแล้ว
ทาเคอุจิกล่าวว่าแม้ผลลัพธ์จะแสดงให้เห็นวงจรที่จำเป็นสำหรับการปรับให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงกฎที่ต้องใช้ขั้นตอนมากขึ้นในกระบวนการ แต่ก็ยังทำให้เกิดคำถามใหม่ที่น่าสนใจ มีวงจรอื่นสังเกตเมื่อกระบวนการหลายขั้นตอนกลายเป็นกระบวนการขั้นตอนเดียวหรือไม่? ถ้าเป็นเช่นนั้น วงจรนั้นรวมเข้ากับวงจรที่กล่าวถึงในการศึกษานี้หรือไม่? และถ้าธรณีประตูเป็นรุ่นที่ถูกต้อง มันจะทำงานอย่างไรกันแน่?
ความหมายไม่เพียงแต่สำคัญต่อการทำความเข้าใจพื้นฐานทางประสาทของการตัดสินใจตามลำดับตามธรรมชาติเท่านั้น แต่ยังอาจรวมถึงแอปพลิเคชัน AI ตั้งแต่การเล่นเกมหรืองานอุตสาหกรรม ซึ่งแต่ละงานอาจเกี่ยวข้องกับงานที่มีหลายขั้นตอน
นอกจาก Takeuchi และ Tonegawa แล้ว ผู้เขียนคนอื่นๆ ของการศึกษา ได้แก่ Dheeraj Roy, Shruti Muralidhar, Takashi Kawai, Andrea Bari, Chanel Lovett, Heather Sullivan และ Ian Wickersham
ศูนย์วิทยาศาสตร์สมอง RIKEN, สถาบันการแพทย์ Howard Hughes, มูลนิธิ JPB และทุนโครงการ Human Frontier Science Program Fellowship ได้ให้ทุนสนับสนุนสำหรับการศึกษานี้
