O nouă hartă cerebrală dezvăluie modul în care peștii electrici gestionează zgomotul
Celulele cerebrale ajută un pește african să decodeze semnalele electrice pentru a-și localiza prada, a analiza împrejurimile tulburi și a comunica cu semenii săi.
Prin cartografierea riguroasă a modului în care aceste celule din lobul electrosenzorial sunt interconectate, cercetătorii de la Zuckerman Institute al Universității Columbia și colaboratorii lor au descoperit cum această zonă a creierului învață în mod constant să filtreze interferențele care, în mod normal, ar putea afecta simțul electric al peștelui. Rezultatele lor au fost publicate în revista Nature.
Peștele electric slab, cunoscut și sub numele de pește cu nas de elefant, are organe specializate pe piele care nu doar că detectează câmpuri electrice, ci emit și semnale electrice care îl ajută să își scaneze mediul înconjurător și să comunice cu alți membri ai speciei, similar cu modul în care liliecii și delfinii folosesc semnalele acustice. Totuși, semnalele electrice emise de acest pește interferează cu capacitatea sa de a percepe câmpurile electrice din jur, asemeni modului în care țipetele îngreunează auzul.
De-a lungul decadelor, cercetătorii au fost fascinați de un circuit specific din lobul electrosenzorial al acestui pește, care învață să facă predicții ce îi permit peștelui să compenseze semnalele de interferență generate de el însuși. Această învățare se manifestă prin întărirea sau slăbirea conexiunilor dintre un subset de celule din acest circuit, un proces cunoscut sub numele de plasticitate sinaptică.
Cu toate acestea, au existat multe întrebări cu privire la motivul pentru care unele celule din acest circuit prezintă o formă lentă de plasticitate, în timp ce altele manifestă plasticitate rapidă. Cum reușesc aceste tipuri diferite de celule să colaboreze pentru a compensa zgomotul corect? De ce există diferite tipuri de plasticitate în acest circuit?
Pentru a descoperi modul în care acest circuit cerebral își atinge obiectivele, cercetătorii au utilizat microscopie electronică pentru a crea o hartă de rezoluție extrem de înaltă a rețelei formate de celulele cerebrale din lobul electrosenzorial al peștelui. Ei au descoperit că lobul electrosenzorial asociază întotdeauna celulele cu plasticitate rapidă cu cele care au plasticitate lentă.
„Celulele mai rapide pot învăța rapid, dar sunt mai vulnerabile la zgomotul aleator, mai puțin consistent”, a declarat Salomon Muller, PhD, un cercetător postdoctoral în laboratoarele Abbott & Sawtell de la Zuckerman Institute al Universității Columbia. „Celulele mai lente ajută la furnizarea stabilității, contribuind la anularea semnalelor de interferență care sunt, în cele din urmă, constante.”
În concluzie, acest circuit cerebral permite lobului electrosenzorial să învețe în mod constant ce interferențe generează peștii din emisiile lor și să le filtreze rapid. „Orice altceva care este detectat va ieși în evidență și va fi ușor perceptibil”, a spus Krista Perks, PhD, un cercetător asociat în laboratorul Sawtell.
Aceste descoperiri nu doar că oferă o înțelegere mai profundă a modului în care creierul biologic continuă să învețe pe parcursul vieții, ci ar putea oferi, de asemenea, perspective pentru construirea unor creiere mecanice mai eficiente. Inteligența artificială se confruntă adesea cu dificultăți în învățarea continuă. Atunci când modelele AI învață noi informații, ele uită uneori drastic o mare parte din ceea ce au învățat anterior.
„Sistemele biologice au multe de învățat pentru sistemele artificiale”, a declarat Nathaniel Sawtell, PhD, coautor senior al studiului, investigator principal la Zuckerman Institute al Universității Columbia și profesor de neuroștiință la Colegiul Vagelos de Medicină al Universității Columbia.
