Mind Rewind: Brains Run In Reverse

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Di fronte a un nuovo compito di apprendimento, i nostri cervelli riproducono gli eventi all'indietro, proprio come un video sul riavvolgimento.

Di fronte a un nuovo compito di apprendimento, i nostri cervelli riproducono gli eventi al contrario, proprio come un video sul riavvolgimento, suggerisce un nuovo studio.

Questo tipo di riproduzione inversa viene anche utilizzato nella ricerca sull'intelligenza artificiale per aiutare i computer a prendere decisioni. La scoperta potrebbe spiegare perché impariamo le attività più facilmente se prendiamo frequenti interruzioni di studio: le pause tra le sessioni danno al nostro cervello il tempo di rivedere le informazioni.

La scoperta è stata dettagliata in un numero online del 12 febbraio della rivista Natura.

Esecuzione di ratti

I ricercatori hanno misurato l'attività cerebrale nei ratti mentre gli animali correvano avanti e indietro su una pista lineare. Nello specifico, hanno monitorato una regione del cervello chiamata ippocampo, che è noto per essere importante per la memoria e la navigazione sia nei topi che negli esseri umani.

Quando i ratti completarono un giro, ricevettero una ricompensa per il cibo. Dopo aver mangiato, gli animali si fermavano brevemente prima di iniziare un altro giro. Esteriormente, i ratti non sembrano aver fatto molto durante questi periodi di riposo. Si agiterebbero, si stringeranno o rimarranno fermi. Le registrazioni del cervello hanno tuttavia raccontato una storia diversa. Durante i periodi di riposo, l'ippocampo di un topo era un focolaio di attività.

Mentre i roditori correvano su e giù per la pista, le cellule ippocampali sparavano in certi schemi. Questa sequenza di spari si ripeté quando gli animali riposarono, ma dentro inverso ordine. I replay inversi furono ripetuti più volte; ogni replay richiedeva solo poche centinaia di millisecondi.

"In quel tempo compresso, il ratto sta riproducendo l'intera traccia da dove è fin dall'inizio," ha detto David Foster, membro del team di studio del Massachusetts Institute of Technology. "Questo risultato suggerisce che l'esperienza immediata è in realtà ricapitolata diverse volte: l'elaborazione in corso al di fuori dell'esperienza originale può essere importante per l'apprendimento."

Mosse di apertura

Il risultato potrebbe aiutare a spiegare come i ratti risolvono qualcosa chiamato "problema di assegnazione del credito temporale". E poiché l'ippocampo nei ratti e gli esseri umani svolgono molte delle stesse funzioni, lo studio attuale suggerisce che il nostro cervello possa funzionare allo stesso modo.

Il problema, un classico dilemma nella teoria del processo decisionale, è questo: se un animale deve eseguire una sequenza di azioni prima di ottenere una ricompensa, come fa a sapere quali azioni erano in definitiva importanti e quali no? Le azioni eseguite prima della ricompensa sono facili da identificare come importanti, ma per quanto riguarda le azioni eseguite all'inizio della sequenza? Quali di questi erano importanti?

Richard Sutton, un informatico dell'Università di Alberta, in Canada, che non è stato coinvolto nello studio, paragona il problema alla riproduzione del backgammon per la prima volta.

"Come valuti la mossa di apertura se non sai ancora come giocare?" Egli ha detto.

Nei campi dell'informatica e dell'intelligenza artificiale, il problema dell'assegnazione del credito temporale viene risolto facendo funzionare le macchine arretrato, ripetendo gli eventi al contrario e assegnando più credito alle azioni vicino alla fine di una sequenza rispetto a quelle iniziali.

"Sai che la mossa finale è stata la cosa giusta da fare, quindi puoi rimandare quell'informazione attraverso l'insieme delle azioni che sono state portate fino allo stato finale", ha detto Foster in un'intervista telefonica.

Se la riproduzione inversa avviene anche negli esseri umani, potrebbe spiegare perché le ore di preparazione prima di un test in genere non funzionano. La nuova scoperta suggerisce che i nostri cervelli imparano meglio quando ci sono pause frequenti tra le sessioni di studio; durante queste pause, il nostro cervello rivede inconsciamente le nuove informazioni più volte, rendendo più facile impegnarsi a memoria quando arriverà il momento.

Come il replay inverso porta all'apprendimento

Gli scienziati sanno da tempo che il rilascio della molecola chimica della dopamina è una parte importante del sistema di ricompensa del cervello. Il rilascio di questo neurotrasmettitore ci inonda di sentimenti di gioia e ci motiva a svolgere determinate attività.

Quando questa conoscenza è accoppiato con il nuovo suggerimento che il nostro cervello possa replicare nuove esperienze al contrario, emerge un possibile meccanismo di apprendimento, ha affermato Foster.

I ricercatori ipotizzano l'esistenza di una speciale "area di valore" del cervello in cui i segnali della dopamina e i segnali di replay inverso vengono alimentati insieme in coppia. Se il segnale della dopamina è uno che decade nel tempo, significa che è più forte all'inizio della trasmissione che alla fine, quindi potrebbe accadere quanto segue:

Quando un segnale di replay inverso si sviluppa nell'area del valore del cervello, è associato all'inizio di un forte segnale dopamina; mentre la ripetizione continua, il segnale della dopamina diventa più debole. In questo scenario, le azioni intraprese vicino all'inizio di un evento di replay inverso saranno più importanti per un organismo rispetto alle azioni intraprese in seguito.

Suggerimenti in psicologia

Sutton ha detto che non sarebbe sorpreso se si ripetesse la riproduzione inversa sia negli animali che nelle macchine. Semmai, ha detto, questo meccanismo era stato a lungo sospettato dai primi esperimenti psicologici, come gli esperimenti classici di condizionamento con cani di Ivan Pavlov.

"Pavlov ha suonato il campanello e ha dato al cane la bistecca e dopo un po ', suonare il campanello è stato gratificante", ha detto Sutton WordsSideKick.com. "Quindi in qualche modo ha funzionato all'indietro dalla bistecca alla campana."

Foster è d'accordo, ma ha aggiunto che lo studio attuale suggerisce che facciamo treni di associazioni molto più arretrati di quanto si pensasse in precedenza.

"Stanno prendendo gli animali diversi secondi per correre, quindi questo replay potrebbe inviare le informazioni indietro attraverso diverse fasi e premiando una lunga sequenza di azioni", ha detto Foster. "È quella lunga sequenza che è nuova."

L'attuale studio ha esaminato specificamente l'apprendimento spaziale; tuttavia, nei ratti, e probabilmente anche negli umani, l'ippocampo è coinvolto anche in altri tipi di apprendimento.

"Quindi [riproduzione inversa] potrebbe benissimo essere un meccanismo per gestire un'ampia varietà di informazioni, non solo spaziali", ha affermato Foster.

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