Hjernen kan gjenbruke de samme nervecellene til minner og handlingsplaner

Hjernen trenger ikke én nervecellegruppe for hver oppgave

En ny studie fra MIT og Princeton gir støtte til ideen om at hjernen arbeider med fleksible, gjenbrukbare «moduler». I stedet for å sette av en egen gruppe nerveceller til hver type informasjon, kan de samme nervecellene utføre den samme beregningen på forskjellig innhold.

I prefrontal cortex – et område som blant annet forbindes med arbeidsminne, planlegging og beslutninger – kunne enkelte nervecelleklynger holde på et sanseminne i én del av en oppgave og en handlingsplan i en annen.

Slik ble musene testet

Musene gjennomførte en variant av en forsinket sammenligningsoppgave. Først fikk de høre en høy eller lav tone. De måtte huske tonen, sammenligne den med en ny tone og deretter holde fast ved beslutningen eller handlingen de skulle utføre.

Forskerne registrerte aktiviteten til tusenvis av nerveceller i den mediale prefrontale cortex og den bakre parietale cortex, altså deler av isselappen.

Datamodeller og klyngeanalyser viste at aktiviteten kunne organiseres i funksjonelt ulike «underrum» for blant annet behandling av stimuli og vedlikehold av minner.

Det mest interessante mønsteret kom fra prefrontal cortex: Klynger som holdt på minnet om den første tonen i den første pausen, kunne senere brukes til å holde på handlingsplanen i den neste pausen. Det tyder på at den samme beregningsmekanismen kan gjenbrukes, selv om informasjonen den behandler, skifter.

En tydelig forskjell mellom hjerneområdene

Nervecellene i bakre parietale cortex fremsto som mer spesialiserte. De bidro mer stabilt til bestemte typer informasjon og byttet ikke rolle på samme måte som klyngene i prefrontal cortex.

Forskerne tolker kontrasten som en mulig arbeidsdeling: Prefrontal cortex kan gi fleksibilitet ved å gjenbruke moduler, mens parietal cortex i større grad bidrar med spesialiserte funksjoner.

Kunstige tilbakekoblede nevrale nettverk – datamodeller der informasjon kan sirkulere mellom enheter – utviklet en tilsvarende modulær organisering da de ble trent på oppgaver med lignende krav. Det støtter ideen om at arkitekturen kan være en nyttig beregningsløsning, og ikke bare et særtrekk ved de undersøkte musene.

Derfor sammenlignes systemet med LEGO

Forskerne beskriver prinsippet som «kognitive LEGO-klosser»: Gjenbrukbare deler kan settes sammen og kombineres på nye måter for å bygge ulike handlinger og strategier.

En slik arkitektur kan ha flere fordeler:

• Hjernen kan lære nye oppgaver ved å gjenbruke beregninger den allerede har lært, i stedet for å starte helt fra grunnen hver gang.
• Moduler kan kombineres på nytt når regler, minner eller mål endres.
• Et begrenset antall nerveceller kan dermed støtte et stort antall forskjellige oppgaver.
• Prinsippet kan gi ideer til kunstig intelligens, der nye oppgaver ofte krever omfattende ny trening og kan føre til at tidligere ferdigheter blir svekket.

Funnene betyr likevel ikke at forskerne har forklart hele grunnlaget for menneskelig, fleksibel tenkning. Aktiviteten som ble målt hos musene, er korrelasjonell: Den viser mønstre som passer med gjenbruk av nervecelleklynger, men beviser ikke at én bestemt klynge alene forårsaker atferden.

Neste steg: forstyrre de samme klyngene

Forskerne planlegger årsaksforsøk der identifiserte klynger i prefrontal cortex blir påvirket på bestemte tidspunkter i oppgaven. Målet er å undersøke om en klynge faktisk skifter funksjon fra å vedlikeholde et sanseminne til å vedlikeholde en handlingsplan.

Den sentrale forutsigelsen er at en forstyrrelse av den samme klyngen skal svekke forskjellige funksjoner, avhengig av når inngrepet skjer. Kildematerialet oppgir ikke nok detaljer til å fastslå nøyaktig metode eller tidsplan for disse forsøkene.

Hva vet vi om finansieringen?

Det tilgjengelige kildematerialet dokumenterer ikke finansieringen av akkurat denne MIT–Princeton-studien. En finansieringsopplysning fra Princeton om støtte fra det amerikanske direktoratet for nasjonal etterretning og National Institutes of Health gjelder et annet prosjekt om forbindelser i musehjernen, og bør derfor ikke knyttes til denne studien.

Et av de oppgitte kildedokumentene beskriver dessuten arbeidet som et preprint, altså et manuskript som ennå ikke er fagfellevurdert.