Frontal population organization supports the behavioral expression of confidence
Diese Studie zeigt, dass bei Ratten der behaviorale Ausdruck robuster Konfidenzrepräsentationen im orbitofrontalen Kortex nicht von der Stärke der Aktivität einzelner Neuronen abhängt, sondern von der spezifischen temporalen und geometrischen Organisation der neuronalen Population, welche darüber entscheidet, ob diese internen Zustände abgerufen und in Handlungen übersetzt werden können.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Im Inneren des Gehirns existieren Gedanken oft als stille, interne Signale, die sich nicht immer in Handlungen übersetzen. Ein Mensch kann sich einer Entscheidung absolut sicher fühlen und dennoch vor dem Handeln zögern, oder sich unsicher fühlen und dennoch voreilig voranschreiten. Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass spezifische Gehirnzellen Gefühle von Zuversicht kodieren, indem sie mehr oder weniger feuern, je nachdem, wie sicher sich ein Tier über eine Entscheidung ist. Doch ein grundlegendes Rätsel blieb bestehen: Nur weil eine Gehirnzelle ein Signal der Zuversicht trägt, garantiert das schon lange nicht, dass das Tier danach handelt. Es geht nicht bloß darum, ob das Gehirn die Antwort kennt, sondern darum, wie dieses Wissen zu einem physischen Verhalten wird. Diese Forschung untersucht die Lücke zwischen dem Besitz eines Gedankens und dessen Ausdruck und geht der Frage nach, warum ein starkes inneres Gefühl manchmal es versäumt, die Handlungen einer Ratte zu leiten.
Um dieses Rätsel zu lösen, entwarfen Forscher am RIKEN und der Doshisha University eine Aufgabe für Ratten, die den Moment der Entscheidung vom Moment der Belohnung trennte. Die Tiere wurden darauf trainiert, an einer Mischung aus zwei Gerüchen zu schnuppern und eine Öffnung links oder rechts zu wählen, um Wasser zu finden. Die Schwierigkeit der Duftmischung variierte, wodurch einige Entscheidungen einfach und andere schwer waren. Nachdem sie eine Wahl getroffen hatten, mussten die Ratten auf eine Belohnung warten, die eintreffen konnte oder auch nicht. In einer Version des Experiments kam die Belohnung zu einem völlig unvorhersehbaren Zeitpunkt an, was die Ratten zwang, sich auf ihr eigenes Urteil darüber zu verlassen, wie wahrscheinlich sie korrekt waren. Wenn sie sich sicher fühlten, warteten sie länger; wenn sie sich unsicher fühlten, gingen sie früher weg. In diesem Szenario war die Zeit, die die Ratte zu warten entschied, ein direktes Maß für ihre Zuversicht.
Die Forscher führten daraufhin eine zweite Version der Aufgabe ein, bei der der Zeitpunkt der Belohnung fest und vorhersehbar war. Das Wasser kam immer exakt eine halbe Sekunde nach der Entscheidung an. Unter dieser Bedingung blieb die perzeptive Entscheidung der Ratten präzise; sie wählten immer noch mit der gleichen Genauigkeit die korrekte Öffnung wie zuvor. Ihr Warteverhalten änderte sich jedoch drastisch. Sie warteten nicht mehr länger, wenn sie sich sicher fühlten. Stattdessen warteten sie unabhängig davon, ob sie sich sicher oder unsicher fühlten, etwa gleich lange. Das innere Gefühl der Zuversicht war immer noch vorhanden, aber es hatte seine Kraft verloren, das Verhalten des Tieres zu formen. Dies bot die perfekte Gelegenheit zu der Frage: Hat das Gehirn aufgehört, sich sicher zu fühlen, oder hat es einfach aufgehört, dieses Gefühl zu nutzen, um das Warten zu steuern?
Um dies herauszufinden, zeichnete das Team die Aktivität von Hunderten von Neuronen im orbitofrontalen Kortex auf, einer Hirnregion, die für die Verarbeitung von Wert und Zuversicht bekannt ist. Sie entdeckten, dass die Neuronen selbst sich nicht verändert hatten. Selbst als die Ratten aufhörten, ihre Zuversicht beim Warten zu nutzen, feuerten die einzelnen Gehirnzellen weiterhin in Mustern, die eindeutig hohe oder niedrige Zuversicht signalisierten. Die interne Repräsentation des Gefühls war robust und intakt. Das Problem war nicht, dass das Gehirn vergessen hatte, wie man sich sicher fühlt; das Problem war, dass das Gehirn aufgehört hatte, diese Gefühle so zu organisieren, dass sie vom Rest des Körpers leicht gelesen werden konnten.
Die Forscher fanden heraus, dass der entscheidende Unterschied darin lag, wie die Population der Neuronen zusammenarbeitete. Wenn die Ratten unter der unvorhersehbaren Bedingung waren und ihre Zuversicht das Warten leitete, feuerten die Neuronen in einem hoch organisierten, stabilen Muster über die Zeit. Diese Organisation ermöglichte es dem Gehirn, ein klares, lineares Signal der Zuversicht aufrechtzuerhalten, das zu jedem beliebigen Zeitpunkt während des Wartens abgerufen werden konnte. Es war, als ob die Neuronen eine konsistente Sprache sprachen, die der Rest des Gehirns verstehen und auf die er reagieren konnte. In der vorhersehbaren Bedingung, in der die Zuversicht das Verhalten nicht mehr steuerte, brach diese Organisation zusammen. Die Neuronen feuerten zwar immer noch, aber ihr kollektives Muster wurde ungeordneter und weniger stabil. Das Signal war nicht mehr in einer Weise angeordnet, die einen reibungslosen, linearen Auslesevorgang ermöglichte. Die Information war vorhanden, aber sie war in einer chaotischen Struktur verborgen, auf die die nachgeschalteten Teile des Gehirns nicht ohne Weiteres zugreifen konnten.
Um zu beweisen, dass diese Organisation das fehlende Bindeglied war, unterbrachen die Wissenschaftler mittels Licht vorübergehend die spezifischen Verbindungen zwischen dem orbitofrontalen Kortex und dem Striatum, einer tiefer liegenden Hirnstruktur, die an Bewegung und Gewohnheit beteiligt ist. Indem sie diese spezifischen Pfade während der Wartezeit hemmten oder aktivierten, konnten sie die Verbindung zwischen Zuversicht und Wartezeit unterbrechen. Selbst unter der unvorhersehbaren Bedingung, in der die Ratten normalerweise basierend auf ihrer Zuversicht warteten, bewirkte die Störung dieser Verbindungen, dass die Ratten aufhörten, ihre Wartezeiten entsprechend ihrer Gewissheit anzupassen. Dies bestätigte, dass der orbitofrontale Kortex das Gefühl der Zuversicht nicht nur festhält, sondern dieses Gefühl auch in ein spezifisches Muster organisieren muss, um es stromabwärts zu senden.
Die Studie zeigt, dass es nicht ausreicht, eine starke interne Repräsentation zu besitzen, um Verhalten anzutreiben. Das Gehirn muss seine Signale auch in einer spezifischen, organisierten Geometrie anordnen, die sie für den Rest des Systems zugänglich macht. Wenn die Population der Neuronen des Gehirns gut organisiert ist, können interne Gedanken wie Zuversicht frei in Handlungen übergehen. Wenn diese Organisation gestört wird, bleibt selbst ein klarer und starker Gedanke in seinem Inneren gefangen, unfähig, das darauffolgende Handeln des Tieres zu beeinflussen. Dies deutet darauf an, dass die Flexibilität des Verhaltens weniger davon abhängt, wie stark wir etwas fühlen, sondern vielmehr davon, wie das Gehirn diese Gefühle anordnet, damit sie gelesen und umgesetzt werden können.
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