Neue Studie zeigt, wie vielfältige Gehirnzellen sich vereinen, um Entscheidungen zu leiten

Jede Entscheidung beginnt unsichtbar.

Lange bevor jemand handelt, sammelt das Gehirn bereits hart daran, Beweise zu sammeln, Optionen abzuwägen und sich allmählich zu einer Wahl zu verpflichten. Aber selbst wenn sie mit den gleichen Beweisen konfrontiert sind, können Menschen zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen, insbesondere wenn die Entscheidung schwierig ist. Zwei verschiedene Fahrer im Verkehrsverkehr sehen beispielsweise die gleiche überlastete Straße, doch man könnte sich beschleunigen, um sich zu verschmelzen, während ein weiterer vorsichtig bremsen.

Wie das Gehirn, das sich aus Milliarden spezialisierter Zellen zusammensetzt, diese Entscheidungen mit Split-Second-Sekunden begleitet, war jedoch größtenteils ein Rätsel.

Jetzt werfen neue Erkenntnisse der Princeton University in Zusammenarbeit mit Forschern des Cold Spring Harbor Laboratory, der Stanford University und der Boston University auf, wie vielfältige Gehirnzellen zusammenkommen, um eine einheitliche Entscheidung zu führen. Die Forscher fanden heraus, dass einzelne Neuronen zwar verwirrend komplexe Reaktionen haben, ihre Aktivität jedoch durch eine gemeinsame Struktur geprägt ist, die das Gehirn letztendlich zu einer einheitlichen Wahl führt.

Die Ergebnisse wurden im Journal veröffentlicht Natur am 25. Juni.

Klassische Experimente in der Neurowissenschaften haben gezeigt, dass die Gehirn einfache sensorische Informationen wie grundlegende Formen oder Klänge auf vorhersehbare Weise karten. Ein in einem 45-Grad-Winkel gedrehter schwarzer Rechteck aktiviert eine bestimmte Gruppe von Zellen im visuellen Kortex. Ändern Sie den Winkel jedoch leicht und eine andere Gruppe leuchtet auf. Entscheidungen, insbesondere wenn sie an Handlungen gebunden sind, sind jedoch komplizierter als die Unterscheidung leicht unterschiedlicher Töne oder Formen, was es den Forschern schwer macht, den neuronalen Kodex zu identifizieren, der die Entscheidungsfindung leitet.

Um diese Herausforderung zu überwinden, trainierte das Forschungsteam Rhesus -Makaken, um festzustellen, welche Farbe (rot oder grün) auf einem karierten Bildschirm dominanter war. Einfache Versuche waren eindeutig, aber mehrdeutige Überlegungen erforderten sorgfältige Überlegungen. Wie die Affen ihre Wahl betrachteten, zeichneten die Forscher Aktivität aus Nervenzellen im dorsalen prämotorischen Kortex auf, einer Gehirnregion, die an der Umsetzung von Entscheidungen in Aktionen umgesetzt wurde.

Sie fanden heraus, dass Neuronen selbst innerhalb desselben Versuchs sehr unterschiedlich reagierten, was auf ein hohes Maß an „Heterogenität“ oder Variabilität im neuronalen Kodex für Entscheidungen hindeutete.

Die weit verbreitete Annahme ist, dass diese Heterogenität die komplexe Dynamik widerspiegelt, die mit der Wahrnehmung verbunden ist. Überraschenderweise stellten wir fest, dass diese offensichtliche Komplexität aus einem ganz anderen Prinzip der neuronalen Kodierung ergibt. „

Tatiana Engel, Ph.D., Associate Professor am Princeton Neuroscience Institute und leitender Autor der Studie

Um diese Vielfalt zu erklären, entwickelte das Team ein flexibles Rechenmodell, das zwei kritische Merkmale enthüllte, die das Verhalten jedes Neurons vorantreiben: 1) Tuning: Wann und welche Art von Entscheidung ein Neuron tendiert; und 2) Neuronale Dynamik: Dargestellt durch eine „potenzielle Landschaft“, die Aktivität führt.

In diesem Modell repräsentieren Täler in der Landschaft eine stabile Entscheidung, die getroffen wurde. Wenn sich die neuronale Aktivität entfaltet, ist es wie ein Ball, der über das Gelände rollt: Steilere Hänge schieben die Aktivität entschlossener in Richtung einer Wahl.

Das Modell zeigte, dass das Tuning in einfachen und harten Versuchen konsistent blieb, aber die Form der potenziellen Landschaft änderte sich. Bei leichteren Aufgaben war die Landschaft steil und führte zu schnelleren, selbstbewussteren Entscheidungen. Bei härteren Aufgaben war das Gelände flacher und anfälliger für Lärm, was die Chancen von Fehlern erhöhte.

Obwohl jedes Neuron eine andere individuelle Reaktion hatte, schienen sie alle die gleiche zugrunde liegende potenzielle Landschaft zu teilen.

„Denken Sie daran wie eine Gruppe von Skifahrern, die einen Berg herabsteigen“, sagte Engel. „Jeder bevorzugt einen etwas anderen Weg, aber alle sind von derselben Steigung unter ihnen geprägt. In ähnlicher Weise hat jedes Neuron seine eigene Präferenz und Aktivität, aber die Gruppe der Zellen, die gemeinsam im prämotorischen Kortex eine koordinierte Reise unternimmt und sich allmählich in einen stabilen Zustand niederlässt, der die Entscheidung darstellt.“

Wenn Sie verstehen, wie Neuronen zusammenarbeiten, um Entscheidungen zu treffen, können Sie einen tieferen Einblick in die fundamentale Gehirnfunktion bieten und wie sie bei Störungen wie Schizophrenie oder bipolarer Störung, bei denen Entscheidungsprozesse verändert werden, schief geht.

Mit einem neuen Modell in der Hand planen Engel und ihre Kollegen nun zu untersuchen, wie unterschiedliche Arten von Neuronen und die Art und Weise, wie sie sich verbinden, zu den unterschiedlichen Abstimmungen und unterschiedlichen Entscheidungen der Entscheidungsfindung beitragen.

„Jede Entscheidung ist einzigartig“, sagte Engel. „Aber indem wir auf das Maß an einzelnen Versuchen und Einzelneuronen ausgraben, können wir anfangen, dies zu verstehen.“

Quellen: