A Unified World Model in Human Posterior Parietal Cortex

Het menselijk brein is een meester in voorspellen. Voordat je een vallend glas opvangt, heeft je geest de baan, snelheid en het exacte moment van verbrijzeling al berekend. Voordat je naar een kopje reikt, heb je het gewicht van het object en de benodigde grip gesimuleerd om het op te tillen. Wetenschappers vermoeden al lang dat het brein niet louter reageert op de wereld zoals die verschijnt, maar een intern, dynamisch model van de fysieke realiteit bijhoudt. Dit "wereldmodel" is een mentale simulatie die ons in staat stelt te begrijpen hoe objecten interageren, te voorzien wat er hierna zal gebeuren en onze eigen bewegingen binnen die ontvouwende scène te plannen. Terwijl kunstmatige intelligentie-onderzoekers decennia lang hebben geprobeerd dergelijke modellen in machines te bouwen, is het vinden van het biologische equivalent in het menselijk brein een diep mysterie gebleven. De vraag is niet alleen of we de toekomst kunnen voorspellen, maar waar in het uitgestrekte netwerk van onze geest deze continue, stille berekening plaatsvindt.

Een team van onderzoekers heeft nu een specifiek gebied in het menselijk brein geïdentificeerd dat schijnbaar dient als de hardware voor dit wereldmodel. Door elektrische activiteit direct uit de hersenen van twee individuen te registreren, ontdekten zij dat een kleine cluster neuronen in het bovenste achterste deel van de hersenen, bekend als de lobulus parietalis superior, drie verschillende maar aan elkaar gelinkte taken tegelijkertijd uitvoert. Deze neuronen reageren niet alleen op wat er gebeurt; ze bouwen een fysiek begrip van een scène op, voorspellen hoe die scène zal veranderen en houden het plan vast voor wat de persoon vervolgens beoogt te doen. De bevindingen suggereren dat het brein niet werkt met afzonderlijke, geïsoleerde circuits voor het nadenken over fysica, het raden van de toekomst en het plannen van acties. In plaats daarvan gebruikt het een verenigd systeem waarbij dezelfde cellen verantwoordelijk zijn voor alle drie de taken.

De studie omvatte twee deelnemers die waren voorzien van kleine elektrode-arrays als onderdeel van een klinische trial om beweging na dwarslaesies te helpen herstellen. Deze elektroden, elk zo groot als een korrel zand, waren geplaatst in de lobulus parietalis superior, een regio die in eerdere hersenscans al werd gelinkt aan zowel fysiek redeneren als bewegingsplanning. De onderzoekers vroegen de deelnemers om een reeks taken uit te voeren terwijl de elektroden de vuurpatronen van individuele neuronen registreerden. In één taak bekeken de deelnemers video's van torens gemaakt van blokken die er onstabiel uitzagen. Ze moesten beslissen of de toren naar links of naar rechts zou vallen, of simpelweg het aantal blauwe versus gele blokken tellen. In een andere taak bekeken ze natuurlijke video's van ofwel fysieke gebeurtenissen, zoals een hamer die een spijker in een plank drijft, of sociale interacties, zoals mensen die lachen.

De resultaten toonden aan dat de neuronen in dit hersengebied specifiek oplichtten wanneer de deelnemers betrokken waren bij de fysieke wereld. Wanneer de deelnemers de blokkentorens of de video's van fysieke gebeurtenissen bekeken, vuurden de neuronen veel krachtiger dan wanneer ze de sociale video's bekeken of de eenvoudige kleur-teltaak uitvoerden. Deze voorkeur voor fysiek redeneren was geen vluchtige reactie; dezelfde groep neuronen die reageerde op de blokkentorens, reageerde ook op de video's van vallende dominostenen en draaiende tollen. De onderzoekers ontdekten dat deze neuronen niet alleen reageerden op de visuele input, maar actief een model van de scène construeerden. Ze konden het verschil zien tussen een stabiele toren en een onstabiele toren, en ze reageerden anders op een hamer die een spijker raakt dan op mensen die handen schudden.

Cruciaal was dat de studie onthulde dat deze neuronen ook de toekomst voorspelden. In een apart experiment bekeken de deelnemers video's van objecten die naar een doel bewogen. Soms raakte het object het doel, en soms miste het. De onderzoekers ontdekten dat de neuronen honderden milliseconden voordat de botsing daadwerkelijk plaatsvond, al anders begonnen te vuren. Als het object de doelwit zou raken, vuurden de neuronen in een specifiek patroon dat afweek van het patroon wanneer het object de doel zou missen. Dit gebeurde zelfs voordat het object iets aanraakte, wat suggereert dat het brein een simulatie van de uitkomst draait. Opmerkelijk genoeg generaliseerde dit voorspellende vermogen over verschillende scenario's; de neuronen konden een botsing voorspellen of het object nu over de grond rolde of door de lucht vloog, wat wijst op een diep begrip van natuurkundige wetten in plaats van enkel het memoriseren van specifieke videoclips.

Het laatste puzzelstukje was de verbinding met actie. De deelnemers werden gevraagd zich een van de twee handelingen voor te stellen: ofwel een object aanraken met een gebalde vuist, ofwel een knop draaien met hun vingers. Dezelfde neuronen die bezig waren met het modelleren van de fysica van de wereld en het voorspellen van botsingen, codeerden ook welke handeling de persoon beoogde uit te voeren. De onderzoekers ontdekten dat een aanzienlijk aantal individuele neuronen tegelijkertijd alle drie de taken uitvoerde: ze gaven de voorkeur aan taken met fysiek redeneren, ze voorspelden de uitkomst van bewegende objecten voordat deze plaatsvonden, en ze signaleerden de beoogde handbeweging van de persoon. Deze convergentie suggereert dat het brein deze functies niet in aparte compartimenten onderbrengt. In plaats daarvan integreert dezelfde neuronale populatie het begrip van de fysieke wereld, de voorspelling van de toekomstige staat ervan en de planning van onze eigen acties in één enkel, samenhangend proces.

De onderzoekers waren zorgvuldig om andere verklaringen uit te sluiten. De neuronen reageerden niet simpelweg omdat de taken moeilijker waren of omdat de deelnemers meer aandacht besteedden; de controletaken waren ontworpen om even moeilijk en boeiend te zijn, maar de neuronen bleven stil. Ze reageerden ook niet enkel op de aanwezigheid van menselijke lichamen of intentionele bewegingen in de video's, aangezien de neuronen sterk reageerden op fysieke gebeurtenissen waarbij geen mensen bij betrokken waren. De bevindingen waren consistent over meerdere meetsessies en bleven standhouden, zelfs wanneer er naar de activiteit van individuele neuronen werd gekeken in plaats van naar het gemiddelde van de groep. Hoewel de studie beperkt was tot twee deelnemers en een klein gebied in de hersenen, wijst het bewijs op een verenigd systeem in de menselijke lobulus parietalis superior dat fungeert als een realtime simulator van de fysieke wereld, waardoor we met verbazingwekkende snelheid en precisie door onze omgeving kunnen navigeren, voorspellen en handelen.