Εγκέφαλος – Πρόβλεψη: Νέο πλαίσιο εξήγησης του πώς ο εγκέφαλος κάνει σταδιακά αντιληπτικές προβλέψεις

Η πρόβλεψη είναι μια κρίσιμη για τον εγκέφαλο λειτουργία – χωρίς πρόγνωση, οι πράξεις μας θα ήταν πάντα πολύ αργές λόγω της καθυστέρησης στη νευρωνική επεξεργασία. Όμως, υπάρχει περιορισμένη θεωρητική εργασία που να εξηγεί με ποιο τρόπο οι εγκέφαλοί μας εκτελούν αντιληπτικές προγνώσεις κατά την πάροδο του χρόνου. Στο τελευταίο τεύχος του Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), ο νευροεπιστήμονας του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης, David Heeger, δίνει ένα νέο πλαίσιο για να εξηγήσει πώς ο εγκέφαλος κάνει προβλέψεις. Περιγράφει πως η «πρόβλεψη» ίσως είναι μια γενική αρχή της λειτουργίας του φλοιού – μαζί με τον ήδη αναγνωρισμένο ρόλο του στην εξαγωγή συμπερασμάτων.

«Έχει από καιρό αναγνωριστεί ότι ο εγκέφαλος εκτελεί ένα είδος παραγωγής συμπεράσματος, συνδυάζοντας αισθητηριακές πληροφορίες με προσδοκίες», εξηγεί ο Heeger. «Αυτές οι προσδοκίες μπορεί να προέρχονται από το τρέχον πλαίσιο, από την ανάκληση της μνήμης ή ως μια συνεχή πρόβλεψη κατά την εξέλιξη του χρόνου. Η νέα θεωρία τα θέτει όλα αυτά μαζί και τα μορφοποιεί μαθηματικά».

Σε μεγάλο βαθμό η έλλειψη κατανόησης των λειτουργιών του εγκεφάλου μας είχαν διαμορφώσει μοντέλα παρόμοια με αυτά που συνήθως χρησιμοποιούνται από τους μετεωρολόγους. Στην κατασκευή των προβλέψεων, αυτοί που τις κάνουν βασίζονται σε πληροφορίες για τον καιρό από το παρελθόν για να κάνουν προβολή των συνθηκών του κλίματος για τις διάφορες επόμενες ημέρες. «Παρόμοια, τα νευρωνικά δίκτυα στους εγκεφάλους μας εντυπώνουν ένα τύπο μοντέλου του περιβάλλοντός μας», παρατηρεί ο Heeger. «Όμως, δεν έχουμε κατανοήσει καθαρά πώς λειτουργούν για να κάνουν προβλέψεις».

Οι υπάρχουσες θεωρίες της εγκεφαλικής λειτουργίας και των νευρωνικών δικτύων που χρησιμοποιούνται στην τεχνητή νοημοσύνη χρησιμοποιούν μια ιεραρχική δομή: αισθητηριακές πληροφορίες εισάγονται στο ένα άκρο και προοδευτικά, κατά την ανάπτυξη της ιεραρχίας, διαμορφώνονται πιο αφηρημένες αναπαραστάσεις. Αυτή όμως η αρχιτεκτονική μετάδοσης της προς τα εμπρός τροφοδοτούμενης διαδικασίας, υποστηρίζει ο Heeger, δεν ερμηνεύει τις ικανότητες πρόβλεψης του εγκεφάλου επειδή, αντίθετα από τα μοντέλα του καιρού, δεν εξηγεί πώς επιστρέφει σε προηγούμενες πληροφορίες – μια δυνατότητα που περιλαμβάνει η θεωρία του Heeger. «Είναι δυνατόν αυτή η διεργασία να τρέξει με άλλο τρόπο – να πάρει μια αφηρημένη αναπαράσταση στην κορυφή της ιεραρχίας και να την τρέξει προς τα πίσω, από την κορυφή προς το κάτω μέρος, μέσω του νευρωνικού δικτύου, για να γεννήσει κάτι σαν μια αίσθηση πρόβλεψης ή προσδοκίας», εξηγεί.

Σε γενικές γραμμές, η θεωρία του Heeger αναμιγνύει το συμπέρασμα με την πρόβλεψη. Το δίκτυο του εγκεφάλου μπορεί να επεξεργάζεται με έναν τροφοδοτούμενο προς τα εμπρός τρόπο – από την αισθητηριακή είσοδο προς μια αφηρημένη αναπαράσταση – παρόμοια με τα τυπικά νευρωνικά δίκτυα Τεχνητής Νοημοσύνης (ΤΝ). Η θεωρία του Heeger μπορεί αντί αυτού, να τρέξει με ένα ανατροφοδοτούμενο τρόπο – να δημιουργεί μια αισθητηριακή πρόβλεψη από μια αφηρημένη αναπαράσταση (δηλαδή, ένα είδος ανάκλησης μνήμης ή νοητικής απεικόνισης). Ή μπορεί να τρέξει με ένα τρόπο που να είναι ένας συνδυασμός των δυο, στον οποίο τα συμπεράσματα αναμιγνύουν τις αισθητηριακές πληροφορίες με την πρόβλεψη.

Η θεωρία έχει επίσης ένα ρόλο για το θόρυβο ή τη μεταβλητότητα στη νευρωνική δραστηριότητα, για να διερευνήσει τις διαφορετικές δυνατές αντιλήψεις, ακόμη και όταν η αισθητηριακή πληροφορία και η πρόβλεψη είναι ίδιες. «Αυτή η οδηγούμενη από το θόρυβο διαδικασία της εξερεύνησης ίσως είναι η νευρωνική βάση της δημιουργικότητας», εικάζει ο Heeger. Υποθέτει ότι οι νευροδιαμορφωτές αλλάζουν την κατάσταση του εγκεφάλου για να ελέγξουν ποιος τύπος – η καθαρά προς τα εμπρός τροφοδοτούμενη, η καθαρά ανατροφοδοτούμενη ή ένας συνδυασμός – λειτουργεί κάθε στιγμή στο χρόνο. Η ποσότητα του θορύβου, ο οποίος καθορίζει την ποσότητα της διερεύνησης, ελέγχεται από άλλους νευροδιαμορφωτές όπως η νοραδρεναλίνη (νορεπινεφρίνη) και από ταλαντώσεις στην εγκεφαλική δραστηριότητα, υποστηρίζει ο Heeger.

Η θεωρία, η οποία χρησιμοποιεί το μοντέλο που ενσωματώνεται στα νευρωνικά δίκτυα για πρόβλεψη και διερεύνηση σταδιακά στο χρόνο, αφήνει υποσχέσεις τόσο στο πεδίο της νευροεπιστήμης όσο και στο πεδίο της ΤΝ. Μια από αυτές τις περιοχές είναι η αξιολόγηση των παραγόντων που εξηγούν τον αυτισμό. Δεν υπάρχει ειδικός γενετικός μηχανισμός που προκαλεί τον αυτισμό (τα αποκαλούμενα «γονίδια αυτισμού» αιτιολογούν μόνο ένα μικρό ποσοστό των περιπτώσεων). Μάλλον, τα άτομα με αυτισμό έχουν μια νευροϋπολογιστική ανεπάρκεια – η εγκεφαλική επεξεργασία δεν λειτουργεί σωστά. Κατανοώντας πληρέστερα πώς ο εγκέφαλος υπολογίζει αποτελεσματικά, λέει ο Heeger, μπορούμε δυνητικά να ρίξουμε φως στο τι ακριβώς είναι οι νευροϋπολογιστικές διαφορές. Όπως για τις άλλες αναπτυξιακές διαταραχές και ψυχιατρικές νόσους.

Επιπροσθέτως, ενώ η ΤΝ αναζητεί να αναπαράγει την ανθρώπινη λήψη αποφάσεων και επεξεργασία, δεν μπορεί να συλλάβει πλήρως αυτά τα φαινόμενα εάν είναι αποκλειστικά σχεδιασμένα από την τροφοδοτούμενη προς τα εμπρός αρχιτεκτονική, αγνοώντας την πρόβλεψη και τη διερεύνηση. «Η θεωρία της νευρωνικής λειτουργίας, που συνοπτικά περιγράφω, στοχεύει να συμπληρώσει κάποιες από τις σημαντικές δυναμικές που λείπουν από την ΤΝ», λέει ο Heeger.

Πηγή: New York University

Περισσότερα στη δημοσίευση: Theory of cortical function. PNAS.