Sappiamo molto, ma non abbastanza, su come gli ingranaggi si adattano tutti insieme. Piyushgiri Revagar, CC BY-NC-ND

Le decisioni abbracciano una vasta gamma di complessità. Ce ne sono di semplici: voglio una mela o un pezzo di torta con il mio pranzo? Poi ci sono quelli più complicati: quale auto dovrei comprare o quale carriera dovrei scegliere?

I neuroscienziati come me hanno identificato alcune parti individuali del cervello che contribuiscono a prendere decisioni come queste. Aree diverse elaborare suoni, viste o pertinente conoscenza precedente. Ma capire come questi singoli giocatori lavorano insieme come una squadra è ancora una sfida, non solo nella comprensione del processo decisionale, ma per l'intero campo delle neuroscienze.

Parte della ragione è che fino ad ora la neuroscienza ha operato in un modello di ricerca scientifica tradizionale: i singoli laboratori lavorano da soli, di solito concentrandosi su una o poche aree del cervello. Ciò rende difficile per qualsiasi ricercatore interpretare i dati raccolti da un altro laboratorio, perché abbiamo tutti piccole differenze nel modo in cui eseguiamo gli esperimenti.

Per esempio, i neuroscienziati che studiano il processo decisionale organizzano tutti i tipi di giochi diversi per gli animali, e raccogliamo dati su ciò che succede nel cervello quando l'animale fa una mossa. Quando tutti hanno una diversa impostazione sperimentale e metodologia, non possiamo determinare se i risultati di un altro laboratorio sono un indizio su qualcosa di interessante che sta effettivamente accadendo nel cervello o semplicemente un sottoprodotto delle differenze di equipaggiamento.

L'iniziativa BRAIN, che l'amministrazione Obama ha lanciato in 2013, ha iniziato a incoraggiare il tipo di collaborazione di cui le neuroscienze hanno bisogno. Penso solo che non sia andato abbastanza lontano. Così ho co-fondato un progetto chiamato il Laboratorio internazionale del cervello - un mega-laboratorio virtuale composto da molti laboratori in diverse istituzioni - per dimostrare che il proverbio "solo andiamo veloci, insieme andiamo lontano" è vero per le neuroscienze. La prima domanda che la collaborazione sta affrontando si concentra sul processo decisionale del cervello.

Il team decisionale del cervello

I singoli laboratori di neuroscienza hanno già scoperto molto su come determinate aree del cervello contribuiscono al processo decisionale.

Dì che stai scegliendo tra una mela o un pezzo di torta per andare a pranzo. Per prima cosa, devi sapere che le mele e la torta sono le due opzioni. Ciò richiede l'intervento di aree cerebrali che elaborano informazioni sensoriali: i tuoi occhi vedono la pelle rosso vivo della mela, mentre il tuo naso assume il dolce profumo della torta.

Queste aree sensoriali spesso si collegano a quelle che chiamiamo aree di associazione. I ricercatori hanno tradizionalmente pensato di avere un ruolo in mettendo diverse informazioni insieme. Raccogliendo informazioni dagli occhi, dalle orecchie e così via, le aree di associazione possono dare una maggiore coerenza, vista a immagine grande di quello che sta succedendo nel mondo.

E perché scegliere un'azione rispetto a un'altra? Questa è una domanda per il cervello circuiti di ricompensa, che è fondamentale in soppesando il valore delle diverse opzioni. Sai che ora la torta avrà un sapore dolcemente delizioso, ma potresti pentirtene quando andrai in palestra più tardi.

Quindi, c'è la corteccia frontale, che si ritiene giochi a ruolo nel controllo dell'azione volontaria. La ricerca suggerisce che è coinvolto in una determinata azione una volta che sono arrivate abbastanza informazioni in arrivo. È la parte del cervello che potrebbe dirti che il pezzo di torta ha un odore così buono che vale tutte le calorie.

Comprendere come queste diverse aree del cervello in genere lavorano insieme per prendere decisioni potrebbe aiutare a capire cosa succede nei cervelli malati. I pazienti con disturbi come l'autismo, la schizofrenia e il morbo di Parkinson spesso utilizzano le informazioni sensoriali in modo insolito, soprattutto se è complesso e incerto. La ricerca sul processo decisionale può anche informare il trattamento di pazienti con altri disturbi, come l'abuso di sostanze e la dipendenza. Infatti, la dipendenza è forse un primo esempio di come il processo decisionale può andare molto male.

Una collaborazione di laboratorio diffusa in tutto il mondo

In questo momento, i neuroscienziati stanno prendendo molte istantanee in primo piano di ciò che accade in particolari aree del cervello quando prende una decisione. Ma non si coordinano molto tra di loro, quindi questi pezzi in primo piano non si adattano insieme per darci il quadro generale del processo decisionale di cui abbiamo bisogno.

Ecco perché un gruppo di noi si unì per formare il laboratorio internazionale del cervello. Con il sostegno dell'International Neuroinformatics Coordinating Facility, del Wellcome Trust e della Simons Foundation (anch'essa finanziatrice di The Conversation US), miriamo a creare un quadro generale progettando un esperimento su larga scala che utilizza lo stesso approccio per studiare molti diverse aree del cervello. Poiché il cervello è così complesso, abbiamo bisogno dell'esperienza di molti diversi laboratori che si specializzano in particolari aree del cervello. Ma abbiamo bisogno di loro per coordinare e utilizzare lo stesso approccio in modo da poter mettere insieme tutti i loro diversi pezzi della foto.

Stiamo riunendo un team di scienziati 21 che lavoreranno a stretto contatto per capire come miliardi di neuroni lavorano insieme in un singolo cervello per prendere decisioni. Circa una dozzina di laboratori diversi faranno ciascuno parte di un grande esperimento misurando l'attività dei neuroni negli animali impegnati nello stesso identico gioco. I membri del nostro team registreranno l'attività di centinaia di neuroni nel cervello di ogni animale. Raccoglieremo decine di migliaia di registrazioni neuronali che possiamo analizzare insieme.

Keep it simple

Nelle decisioni del mondo reale, stai combinando molte informazioni diverse: i tuoi segnali sensoriali, la tua conoscenza interna di ciò che è gratificante, di ciò che è rischioso. Ma implementarlo in un contesto di laboratorio è piuttosto difficile.

Speriamo di ricreare l'esperienza naturale del foraggiamento di un topo. Nella vita reale, ci sono molti percorsi diversi che un animale può prendere mentre naviga nel mondo in cerca di qualcosa da mangiare. Vuole trovare il cibo, perché il cibo è gratificante. Usa segnali sensoriali in arrivo, come "Oh, vedo un grillo laggiù!" Un animale potrebbe combinarlo con un ricordo di ricompensa, tipo "So che quest'area ha cespugli rigogliosi di bacche, mi ricordo che da ieri, quindi Andremo lì. "O," So che qui c'era un gatto l'ultima volta, quindi è meglio evitare quell'area. "

Al primo passaggio, l'installazione che stiamo utilizzando per l'International Brain Laboratory non sembra affatto naturale. Il mouse ha un piccolo dispositivo che usa per segnalare le decisioni - in realtà è una ruota di un set Lego. Ad esempio, potrebbe imparare che quando vede un'immagine di una griglia verticale e gira la ruota fino a centrare l'immagine, ottiene una ricompensa. Se pensi a cosa è la raccolta - esplorando l'ambiente, cercando di trovare ricompense, facendo uso di segnali sensoriali e conoscenze pregresse - questa semplice attività di Lego ruota la sua essenza.

Dovevamo davvero pensare al trade-off tra l'avere un comportamento abbastanza complesso da consentirci di approfondire interessanti calcoli neurali e uno che fosse abbastanza semplice da poter essere implementato allo stesso modo in molti diversi laboratori sperimentali. L'equilibrio che abbiamo raggiunto è stato un compito decisionale che inizia semplice e diventa sempre più complesso quando un singolo animale raggiunge diversi stadi di allenamento.

Anche nella fase più semplice, la più antica che stiamo guardando, dove gli animali stanno facendo solo movimenti volontari, stanno decidendo quando fare un movimento per raccogliere una ricompensa. Sono sicuro che possiamo andare molto oltre, ma anche se questo è il massimo, avere misurazioni neurali da tutto il cervello durante un semplice comportamento come questo sarà molto interessante. Non sappiamo come accade nel cervello che decidi quando intraprendere un'azione particolare e come eseguire quell'azione. Avere misurazioni neurali da tutto il cervello di ciò che accadde poco prima che l'animale decidesse spontaneamente di andare e ottenere una ricompensa sarebbe un enorme passo avanti.

L'autore

Anne Churchland, professore associato di neuroscienze, Cold Spring Harbor Laboratory

Questo articolo è stato pubblicato in origine The Conversation. Leggi il articolo originale.

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