Mozkové vlny ukazují, že neurony vidí budoucnost

Když mozek zvažuje několik možností řešení, může se to projevit jako rychle se střídající signály synchronizované s individuálními cykly určitých mozkových vln. Tento proces svazuje jednotlivé scénáře dohromady, ale zároveň je ponechává oddělené.

Rozhodování. Všichni neustále podstupujeme vědomé i nevědomé volby. Nejen o tom, co si vzít na sebe, co jíst nebo jak strávit víkend. Ale také o tom, kterou ruku použít ke zvednutí tužky nebo kdy si poposednout na židli.

I u jednoduchých rozhodnutí musí mozek projít hromadou “co když” a zvážit předpoklady. Dokonce i u rozhodnutí, která nám přijdou automatická. Například uskočení před přijíždějícím autem. Mozek musí velice rychle odvodit předpověď z dosavadních zkušeností a přizpůsobit jí jednání.

Ve vědecké práci uveřejněné v časopise Cell zkoumal tým kalifornských výzkumníků mozky krys při rozhodování. Sledoval, jak jejich neurony rychle střídají dostupné protichůdné možnosti. Mechanismus, jenž popsali, může být nejen podstatou rozhodování, ale také schopnosti zvířat promítnout si abstraktnější možnosti. Podobně jako u představivosti.

Mozkové vlny ukazují přepínání mezi verzemi budoucnosti

Skupina vedená neurovědcem Lorenem Frankem z Kalifornské univerzity v San Franciscu zkoumala aktivitu buněk v hipokampu. Tedy v oblasti mozku připomínající mořského koníka, která hraje zásadní roli při navigaci a při ukládání a vybavování myšlenek. Zvláštní pozornost pak věnovali neuronům zvaným poziční buňky. Přezdívá se jim “mozková GPS”, protože v duchu mapují pozici zvířete v průběhu jeho pohybu prostorem.

Ukázalo se, že poziční buňky se v průběhu pohybu zvířete v prostředí intenzivně aktivují v určitých sekvencích. Tato aktivita odpovídá rychlému přesunu z místa přímo za zvířetem do místa přímo před ním. (Studie ukázaly, že tyto přesuny vpřed zároveň obsahují informace o pozicích cílů nebo odměn.) Zmíněné vzorce neurální aktivity zvané theta cykly se u krys opakují přibližně osmkrát za sekundu a pro zvířata znázorňují neustále aktualizovanou virtuální trajektorii.

Jak však Frank a jeho tým právě zjistili, když se zvíře chystá jednat, neurální aktivita spojená s theta cykly přeskakuje tam a zpět mezi různými možnostmi budoucí trasy. Avšak nejen za účelem předpovědi budoucích událostí, ale zároveň jako určitá blesková střídající se ochutnávka ze švédského stolu nadcházejících možností jednání. 

Alternující scénáře v mozkových vlnách

Výzkumníci vycvičili krysy tak, aby se při cestě bludištěm ve tvaru W ubíraly střídajícími se trasami, zatímco elektrody pořizovaly záznam z jejich pozičních buněk. Zvířata proběhla skrze středový výběžek bludiště a pak odbočila buď doleva nebo doprava. Jakmile však hlodavci dosáhli bodu, v němž se měli rozhodnout, kudy se vydat, zaznamenali vědci v chování jejich pozičních buněk něco zvláštního.

Jedna skupina pozičních buněk byla aktivní ve středu bludiště těsně před tím a v průběhu toho, co krysy odbočily vlevo. Druhá skupina buněk těsně před tím a v průběhu toho, co krysy odbočily vpravo. Zdálo se logické, že když se krysy blíží k rozcestí, budou v určitých momentech aktivní obě skupiny buněk. V této oblasti bludiště by společná aktivita těchto buněk měla být odrazem aktuální pozice zvířete. To se však nikdy nestalo.

Místo toho buňky vykazovaly střídavou aktivitu. Bylo to jako by před tím, než se zvíře rozhodne pro trasu. Jeho hipokamus zpracovával současně možnost “vlevo” i “vpravo” pro místa, do nichž se dostane až v budoucnu tím způsobem, že mezi nimi přepíná. A přitom je stále uchovával jako oddělené varianty.

“Mozek si dal velkou práci s tím, aby varianty uchoval oddělené,” říká Frank. “Otázka zní, proč tomu tak je.”

Dřívější práce Davida Redishe, neurovědce z Minnesotské univerzity a pozdější práce Adama Johnsona ukázaly u pozičních buněk zvířat pohybujících se v bludišti podobný způsob přeskakování tam a zpět mezi potenciálními budoucími stavy. Tyto změny se však zdály být spojené s úmyslnějším chováním a zmínění vědci dále nezkoumali, zda se vzorce pro “vlevo” nebo “vpravo” objevovaly náhodně nebo systematičtěji.

Střídání, které zaznamenal tým UCSF, oproti tomu bylo precizně v souladu s každým druhým cyklem theta rytmu. Hipokamus vytvářel během jednoho cyklu znázornění volby odbočení vlevo a pak přepnul na volbu odbočení vpravo při dalším cyklu. Scénáře se během pokusu nestřídaly úplně dokonale – občas jeden z nich přetrval po dobu několika cyklů. Ale struktura signálů byla nesporná. Tyto 125 milisekundové sekvence nejspíš oddělují odlišné hypotézy mozku o budoucnosti ve spojitém a konzistentním povšechném rámci.

Alternující verze budoucnosti v cyklických signálech

Vědci monitorovali u vycvičených krys druh neuronů zvaný “poziční buňky” v průběhu jejich pohybu bludištěm ve tvaru W. Ve chvíli, kdy se krysy rozhodovaly, kterou cestou se vydat, jejich poziční buňky se začaly chovat zvláštně.

Theta rytmus

Aktivita pozičních buněk

Očekávaná odezva (levý text na obrázku): Poziční buňky pro obě trajektorie jsou aktivní v překryvných částech středového výběžku. Vědci očekávali, že až se krysa bude nacházet v tomto středu, zaznamenají u těchto neuronů současnou aktivitu v cyklech zvaných theta sekvence. 

Skutečná odezva (pravý text na obrázku): Než krysa odbočila, poziční buňky pro každou z trajektorií byly aktivní ve střídajících se theta cyklech. Tento vzorec krysám umožnil posoudit výsledky obou možností rychle a pružně.

Mozkové vlny vědce zcela zmátly

“Úchvatná je ta pravidelnost. Je to dost neuvěřitelné,” říká György Buzsáki, neurovědec na Newyorské lékařské fakultě, který se na výzkumu nepodílel. “Je to vztah jedna ku jedné: Jeden cyklus je pro vlevo, jeden pro vpravo, pak vlevo, pak vpravo.” Výhoda takového vysoce strukturovaného uspořádání může být taková, že každý scénář “co kdyby” se prověřuje vyváženým a uspořádaným způsobem,” říká.

Když Frank a jeho kolegové neurální aktivitu v průběhu theta rytmů prozkoumali ještě podrobněji, zjistili, že první část každého cyklu odpovídá tomu, kde se krysa v daný moment nacházela. Druhá část ukazovala možnost vlevo nebo vpravo. Celý vzorec vypadal asi nějak takto: Aktuální pozice, možnost odbočení vlevo, aktuální pozice, možnost odbočení vpravo a to celé znovu.

Uchování všech dostupných možností

Z údajů se vynořily ještě další fascinující vzorce. Výzkumníci například zjistili, že theta cykly  nepřepínají jen mezi variantami vpravo-vlevo, jimž čelí krysa v bludišti. Ale že někdy jednotlivé cykly mohou zahrnovat i možnost obrátit se nazpátek. Toto zjištění bylo matoucí, protože se nejevilo jako možnost, kterou by krysa musela v danou chvíli zvažovat.

Podle Kennetha Kaye, postgraduálního výzkumníka na Kolumbijské univerzitě a čelního autora periodika Cell tato skutečnost vyvrací myšlenku, že hipokampus jednoduše předpovídá, s čím se zvíře bude bezprostředně potýkat. “Naznačuje to, že struktura cyklů je potenciálně univerzálním způsobem, jak propojit různé věci, jež může hipokampus kódovat.

V tomto případě Frank říká: “vypadá to jako explicitní reprezentace myšlení: “Pokud bych se vydal druhou cestou, co by se stalo a není lepší vrátit se zpátky?””

Skutečně zvažujeme všechny možnosti?

V souvislosti s kódováním hypotetických stavů proto možná mají theta rytmy obecnější účel. Každý cyklus “obsahuje konkrétní obsah,” říká Mark Brandon, neurovědec na McGillově univerzitě, který se studie neúčastnil. “Může to být “odbočit vlevo”, nebo “odbočit vpravo.” V širším pojetí však může jít o to, že konkrétní vzpomínka nebo konkrétní uplynulá událost je zakódována do těchto 125 milisekundových kousků.

Redish, který se tohoto nového výzkumu neúčastnil, souhlasí. “Není to jen o znázornění prostoru, je to také určitá epizodická struktura,” říká. “Je to skutečně o zvažování vašich možností.”

Možná, že je theta cyklus fundamentální výpočetní jednotkou, kterou hipokampus využívá k průzkumu podobných abstraktních voleb. Po většinu času je jeho obsah pravděpodobně založený na zkušenosti. Může zvířeti umožnit rychle a pružně reagovat na měnící se podmínky. Aby uniklo predátorovi, říká. Avšak “naše práce zároveň naznačuje, že nám to v budoucnosti nemusí pomoci k žádným okamžitým ani superzřejmým způsobem,” říká Kay. “Může to hrát určitou roli v kreativitě, v širším pojetí při generativních nebo imaginativních procesech.”

Tato možnost svědčí o hipokampu jako o oblasti mozku, které nejen napomáhá rozhodování ve smyslu svých paměťových funkcí. Spíše bychom na něj měli nahlížet jako na učící se strukturu. Tedy něco, co tvoří a vzorkuje na základě představ o budoucnosti a simuluje možnosti pro další mozkové oblasti, které je pak vyhodnotí a jednají. Cykly mozkových vln Theta jsou nejspíš čistým vstupním bodem k objasnění způsobu jeho fungování.

Jenže mozkové vlny lidí a hlodavců se liší

125 milisekundová okna mohou být zároveň zásadní při objasňování dalších kognitivních procesů nebo neurologických okolností. Studie neurálních procesů často průměrují aktivitu buněk v průběhu celého pokusu. Práce Franka a jeho kolegů ukazuje důležitost zkoumání informací, které jsou skryty v mnohem menších časových intervalech.

Vědci nyní zkoumají mechanismus, který dává vzniknout střídajícím se vzorcům, jež pozorovali a způsob, jakým tato aktivita ovlivňuje další části mozku během rozhodování. Věnují se také pokusům s bludištěm, které zahrnuje více než dva možné scénáře. Ačkoliv se mozkové rytmy u hlodavců liší od těch lidských, výzkumníci doufají, že jejich zjištění budou platná i pro další druhy.

Zatím jsme na úplném začátku porozumění jemné struktuře časového rámce poznávání a představivosti,” říká Kay.  “Je zábavné o tom přemýšlet.” (quantamagazine.org)