Некаторыя абмежаванні ў інтэрпрэтацыі прычыннасці ў эксперыментах па неўралогіі

Увесь наш мазг у мозгу звышнатуральны

Прычыннасць - гэта забойства для навукі. І нідзе не ўзнікае прычыннасць, чым у навуцы. Мы хочам адказаць на, здавалася б, простыя пытанні. Ці выклікае актыўнасць нейрона "Аліса" паводзіны "Барыса"? Адказаў няма, па той простай прычыне, што мазгі фенаменальна складаныя, пабудаваныя з нейрона на нейрона з нейрона.

Калі рухальная кара пацукоў змяшчае мільён нейронаў, то колькі з іх спатрэбіцца, каб яе вус паторгнуўся? Адзін? Дзесяць? Сто? Тысяча? Усе яны? Адказ - дзесьці паміж імі. І "дзесьці паміж імі" - вялікая тэрыторыя для вывучэння.

І ці можа вус тузацца з-за аднаго шыпа ад кожнага з гэтых нейронаў? Ці палічыць шыпы? Ці ўзор шыпоў? Адказ - "мы не ведаем". І "мы не ведаем", гэта яшчэ большая тэрыторыя для вывучэння.

Такім чынам, нам трэба: 1. Спосаб уключэння і выключэння вялікай колькасці нейронаў, каб даведацца, ці з'яўляюцца яны прычынай таго паводзін, якія нас цікавяць, і 2. Інструкцыя па тлумачэнні таго, што значыць мозг, калі мы робім уключаць і выключаць нейроны

Выдатна ў нас першае. У нас ёсць усё большы арсенал інструментаў для выбарачнага ўключэння і выключэння пэўных нейронаў. Мы можам выкарыстоўваць оптагенетыку, каб арыентавацца на пэўныя тыпы нейронаў - напрыклад, на пірамідальныя клеткі ў маторнай кары, альбо на дофамін-змяшчаюць нейроны сярэдняга мозгу - і ўключыць іх (або выключыць) каляровым святлом. Мы нават можам пазначыць нейроны, якія дзейнічалі падчас пэўных паводзін, напрыклад, памятаючы месца ў скрынцы, і якраз яны выказваюць гены, якія кіруюцца святлом. Такім чынам, эксперыментатар можа выкарыстоўваць святло, каб проста ўключыць гэты набор паводзін актыўна нейронаў, калі захоча.

І па-другое, кіраўніцтва па інтэрпрэтацыі ў нас ёсць пачатак. (Знешні назіральнік навукі, магчыма, пракаментаваў бы тут, што, безумоўна, рацыянальная навука распрацавала б інтэрпрэтацыю методыкі, перш чым выкарыстоўваць яе на абсалютна ўсім, што ўжо не было прыбіта. Гэтай назіральніцы не падаецца, што нейроназнаўства толькі бліжэйшае знаёмства з рацыянальнасцю - гэта тая кропка, якая знікае за небасхілам - і больш нагадвае бурбалку dot.com 90-х: яе поўна людзей робіць усё, што заўгодна, чорт ім захочацца, рухаецца прытокам непрыстойных грошай і ў пекла наступствы). Нядаўняя газета ў Нейране мела адважны ўдар, пачынаючы гэтую размову, але спатыкнулася аб уласных шнурках, забыўшыся, што гэты час існуе да самага канца яго тлумачэння, а потым трапляе ў блытаніну і спрабуе замацаваць яе як успаміну. У той час як у рэчаіснасці час - усё.

Але кудо аўтарам газеты для пачатку размовы. Тут я буду весці размову і рабіць іншы (дзікі) ўдар, як інтэрпрэтаваць эксперыменты прычыннасці. З часам закідваюць бясплатна. І я скажу вам, што для мозгу тое, што мы робім з ім, гэта звышнатуральна.

Вы робіце эксперымент, каб праверыць прычыннасць. Вы ўключаеце кучу нейронаў у вобласці мозгу X, выкарыстоўваючы святло, і бачыце, што жывёла робіць у адказ. Тое, што вы хочаце ведаць, гэта: калі я ўключаю гэтыя нейроны, як выглядае мозг - ці выглядае гэта натуральна?

Вы хочаце ведаць гэта, бо калі вы прымусіце нейронаў рабіць тое, чаго ніколі не робяць на працягу ўсяго жыцця жывёлы, то як вы можаце зрабіць нейкія разумныя высновы?

Першы крок: гэта, што нейроны робяць нармальна?

Мы бачым гэта, думаючы пра ўсю сваю дзейнасць як прамаляванне прыроднага рэгіёна, дзе ён знаходзіцца, і ненатуральнага рэгіёну, куды ён не можа прайсці. Для двух нейронаў мы атрымаем наступнае:

Натуральная вобласць нервовай дзейнасці. Кожная кропка графіка ўяўляе сабой магчымую камбінацыю актыўнасці двух нейронаў. Чырвоная зацененая вобласць - гэта

Гэта паказвае актыўнасць двух нейронаў адначасова: абодва яны могуць мець нізкую актыўнасць, альбо абодва маюць высокую актыўнасць альбо любую камбінацыю паміж імі. Ва ўсе моманты часу абмежаваныя магчымыя спосабы актыўнасці гэтых двух нейронаў адначасова. Ёсць прыродны рэгіён, дзе гэтая дзейнасць застаецца.

Прыродны рэгіён мог мець шмат формаў - як цыгара:

Іншая форма для прыроднага рэгіёну. На прыкладзе шляху на гэты раз паказаны паўтаральны цыкл: нейрон 1 валодае высокай актыўнасцю, калі нейрон 2 мае нізкую актыўнасць, і наадварот.

У прыродным рэгіёне маюцца дзіркі:

Прыродны рэгіён у выглядзе пончыкаў. Актыўнасць двух нейронаў ніколі не трапляе ў цэнтр пончыка ці звонку.

У нас, вядома, больш за два нейрона. Бачыць за гэтымі двума вымярэннямі даволі складана, але ўжываецца тая ж ідэя: незалежна ад таго, колькі нейронаў мы адсочваем, іх адначасовая актыўнасць можа адбывацца толькі ў прыродным рэгіёне.

(Тут ёсць шмат слоў, якія я мог бы выкарыстаць тут шмат, але я не збіраюся. Гэта слова шматлікае. Дрэннае "шматстайнасць". Гэта якраз з "функцыяналам", які дазваляе навуковай працы жорстка абыходзіцца. Толькі "архітэктура" і "складанасць" пераўзыходзяць яго для тэрмінаў, якія няясна выкарыстоўваюць, каб здацца разумным без якога-небудзь фактычнага зместу. Гэта проста азначае: меншае памернае прастору ў прасторы большага памеру. Плоскасць у кубе, падобная рэч. дынаміка, мнагазначнасць дынамікі - гэта абмежаваная прастора ў прасторы ўсёй магчымай дынамікі. Натуральная вобласць - гэта мноства).

Тут можа быць некалькі прыродных рэгіёнаў. Вазьміце нейроны, якія сядзяць у цемры, гняцца. Гэтая "спантанная" дзейнасць знаходзіцца ў адным прыродным рэгіёне. Цяпер флік на святло. Куча гэтых нейронаў становіцца больш актыўнай і застаецца больш актыўнай. Зараз з'явіўся новы прыродны рэгіён, у якім актыўнасць застаецца. Такім чынам, "натуральнае" можа быць канкрэтна кантэкставым. Але ўсё ж кожны з гэтых асобных прыродных рэгіёнаў робіць адзін вялікі прыродны рэгіён. Заўсёды існуе пэўная вобласць, у якой натуральная актыўнасць усіх нейронаў застанецца.

Лагічна мы можам таксама вызначыць два розных тыпу ненатуральнай вобласці для нашай кучы нейронаў. Першая - гэта абсалютна ненатуральныя рэгіёны, якія нейроны ніколі не могуць дасягнуць з-за сваіх фундаментальных фізічных межаў. Гэта рэгіёны адмоўнай актыўнасці: нейроны ніколі не могуць мець меншы вынік! І рэгіёны з вельмі высокім узроўнем выхаду: пасля пэўнай мяжы, нейроны больш не могуць вырабляць шыпы.

Другі - звышнатуральны рэгіён. Гэта вобласць, якую нейроны ніколі не наведваюць на працягу жыцця жывёлы. Але ў што іх можна прымусіць, праўда, часова, таму што гэта парушае ні адно з фізічных і біялагічных правілаў. Яны проста не ходзяць туды, таму што сувязі паміж нейронамі і трываласць гэтых злучэнняў перашкаджаюць ім калі-небудзь адбывацца.

Возьмем для прыкладу просты цыкл адмоўнай зваротнай сувязі. Два нейрона: першы ўзбуджае другі; другая душыць першую. Такім чынам, любое павышэнне актыўнасці першага таксама павысіць уласнае тармажэнне з другога. У такой цыклічнасці актыўнасць першага нейрона натуральна абмежаваная зваротнай сувяззю: ёсць верхняя мяжа актыўнасці, за якой ён не можа выйсці. І ўсё ж першы нейрон, які знаходзіцца ў адзіноце, можа страляць значна хутчэй, чым калі-небудзь у гэтай пятлі. Такім чынам, прыродныя і звышнатуральныя рэгіёны тут добра вызначаны: прыродная вобласць, у якой цыкл зваротнай сувязі падтрымлівае актыўнасць абодвух нейронаў, і звышнатуральная вобласць, куды яны маглі б ісці, калі б не былі ў гэтай надакучлівай пятлі.

Такім чынам, аб'ядноўваючы прыродныя, звышнатуральныя і ненатуральныя рэгіёны, мы маем нешта падобнае:

Тры магчымыя вобласці нервовай дзейнасці: натуральная, ненатуральная (фізічна немагчымая) і звышнатуральная.

Час. Вы бачыце, што час знаходзіцца ва ўсім вышэй. Прыродны рэгіён - гэта не проста сукупнасць адначасовай актыўнасці нашай кучы нейронаў. Гэта таксама, як яны пераходзяць з аднаго стану прыроднай актыўнасці ў іншы.

Не ўсе магчымыя спосабы быць натуральна актыўнымі можна дасягнуць ад любога іншага. Нейроны проста не могуць выпадкова скакаць у прыродным рэгіёне - гэта фізічна немагчыма. Вазьміце кучу нейронаў, якія актыўна працуюць па звычайнай схеме "ад-да-раз": іх сумесная дзейнасць плаўна ідзе ўверх і ўніз, а плаўна "уверх-уніз" - гэта набор натуральных хадоў. Так што ў прыродным рэгіёне ёсць і натуральныя хады, і ненатуральныя хады:

Ах, час. Нейроны не могуць проста выпадкова скакаць у прыродным рэгіёне: яны павінны ісці кудысьці побач. Сінія стрэлкі паказваюць некаторыя дазволеныя хады, натуральныя хады. Зялёная стрэлка - гэта ненатуральны крок: у гэтых умовах дзейнасць гэтых двух нейронаў ніколі не можа змяніцца.

Цяпер, крок другі. Калі мы цяпер ведаем, што нейроны працуюць нармальна, як мы інтэрпрэтуем прычыннае ўздзеянне святла?

Вось што адбываецца: мы прымушаем мозг звышнатуральна.

У эксперыментах па оптагенетыцы мы адначасова ўключаем кучу нейронаў і часта затрымліваем іх па адной секундзе. Ці мы адначасова выключаем кучу нейронаў і затрымліваем іх па адной секундзе. Гэта вельмі і вельмі далёка ад прыроднага рэгіёну для нейкай кучы нейронаў, якую мы маглі б назваць

Альбо мы прымушаем кучу нейронаў цалкам у звышнатуральную вобласць, будзь то ўключыўшы іх разам (жоўтая стрэлка):

альбо выключыць іх разам (жоўтая стрэлка):

Ці, у нашым лепшым выпадку, мы парушаем правіла часу: мы неяк застаемся ў прыродным рэгіёне, але робім звышнатуральны крок:

Сінія стрэлкі: натуральныя хады - фізічна магчымыя змены актыўнасці нейронаў з цягам часу. Оптагенетычная стымуляцыя (жоўтая стрэлка) стварае звышнатуральныя крокі, нават калі нам дзіўна пашанцуе і прымусіць яе прытрымлівацца ўнутры прыроднай вобласці дзейнасці.

Такім чынам, у нас ёсць прынцыповая мяжа для праверкі прычыннасці ў мозгу: мы заўсёды штурхаем свае нейроны ў звышнатуральную вобласць, таму мы ніколі не можам быць упэўнены, што тое, што мы назіраем як паводзінныя наступствы, натуральна выклікае прычыну.

(Сапраўды аднолькавыя ідэі і высновы, безумоўна, датычацца і старой тэхнікі мікрастымуляцыі: увядзенне току ў цэлую кучу нейронаў адначасова гэтак жа звышнатуральнае).

У нас пакуль няма тэхнікі, якая б утрымлівала нас у межах натуральнай вобласці дзейнасці групы нейронаў. Каб зрабіць гэта, нам трэба было б распрацаваць оптагенетычную сістэму, якая можа імітаваць фактычныя ўзоры стральбы. Альбо спатрэбіцца прайграць больш раннія запісы гэтых нейронаў у іх прыродным рэгіёне. Ці гэта можа быць дызайн зваротнай сувязі з замкнёным контурам, які прымае ў якасці выхаду нейроны і стымулюе іх узамен паводле нейкай тэорыі, як яны звязаны з астатнімі мозгамі.

Значыць, оптагенетыка абсалютна бескарысная? Не. У параўнанні з тым, што мы мелі раней, гэта ўсё яшчэ цуд. Яна дазваляе правесці выпрабаванні на грубую прычыннасць, праверыць, ці ўдзельнічае Brain Area X падчас вельмі канкрэтнай часткі задачы ці паводзін. Гэта дазваляе знайсці выдатны доказ таго, што пэўныя тыпы нейронаў у зоне мозгу X злучаюцца з нейронамі ў зоне мозгу Y: вы націскаеце адзін тып нейронаў у X святлом і бачыце, якія нейроны ў Y рэагуюць. І гэта хутка становіцца лепшым спосабам вызначыць, які тып нейронаў вы запісваеце ў мозг жывёлы: нейронаў вы не бачыце, але калі яны рэагуюць на святло, яны павінны мець тып нейрона з пазнакай па оптагенетычным маркерам.

Тое, што оптагенетыка працуе на самай справе, кажа нам пра штосьці прынцыповае пра мозг. Гэта адна гіганцкая, вельмі ўстойлівая дынамічная сістэма.

Разумееце, ваш тыповы оптагенетычны эксперымент, які выпрабоўвае ўздзеянне на паводзіны, уключае святло толькі на альтэрнатыўных выпрабаваннях эксперыменту (або рандомизирует, на якіх выпрабаваннях ён з'яўляецца). Як мы толькі што бачылі, гэтая оптагенетычная стымуляцыя гарантавана адцягне нейроны ад сваёй прыроднай вобласці. Тым не менш, ва ўсіх гэтых сотнях зарэгістраваных эксперыментаў, падобна, стымуляванне не ўплывае на паводзіны ў наступным выпрабаванні. Што азначае, што пасля кожнага масіўнага ўдару ў звышнатуральнае, мозг хутка вяртаецца ў прыродны рэгіён. Мозг ігнаруе гэтае гіганцкае абурэнне і працягвае незалежна. Надзейная старая рэч, ці не так?

Хачу больш? Выконвайце за намі ў The Spike

Twitter: @markdhumphries