NCU News
Exact sciences
Mózg nas karze i nagradza
W procesie uczenia się dla jednych ważniejsza jest czekająca na nich nagroda, innych zaś mobilizuje chęć uniknięcia potencjalnej kary. Kamil Bonna bada, jak sygnały kary i nagrody są konstruowane przez mózg, oraz jaki mają wpływ na podejmowane przez nas decyzje.
Mózg jest niebywale złożoną siecią obszarów wzajemnie ze sobą połączonych i nieustannie się komunikujących. To właśnie ta sieć i procesy w niej zachodzące umożliwiają nam codzienne podejmowanie, nawet najbardziej - zdawać by się mogło - błahych, decyzji, analizowanie ich konsekwencji oraz wyciąganie wniosków.
Poziom złożoności tych mechanizmów jest tak duży, że ciężko jest je badać z wykorzystaniem podstawowych metod analizy danych neuroobrazowych. Pomaga w tym całkiem nowa dziedzina nauki - konektomika, koncentrująca się na badaniach złożonej sieci połączeń w ludzkim mózgu z wykorzystaniem algorytmów matematycznych.
- Jednym z najbardziej zdumiewających odkryć współczesnej neuronauki było powiązanie aktywności neuronów uwalniających dopaminę z tzw. błędem predykcji, czyli sygnałem sterującym procesami uczenia – tłumaczy mgr Kamil Bonna z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej.
Na gruncie tego odkrycia powstało wiele badań wykorzystujących nowoczesne techniki neuroobrazowania, np. funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI). Mimo dynamicznego rozwoju dziedziny wiele kluczowych zagadnień wciąż pozostaje nierozwiązanych. Jednym z nich jest zagadnienie uczenia w sytuacji unikania kary (ang. punishment-avoidance learning ).
- Mówiąc krótko: według części badaczy za wzmacnianie pożądanych i wygaszanie niepożądanych działań odpowiadają odrębne obszary mózgu, tworzące wspólnie sieć nagrody. Podejście to nazywane jest "hipotezą dwóch systemów" – tłumaczy Bonna. - Drugim nierozwiązanym problemem pozostaje interpretacja sytuacji unikania kary. Według hipotezy relatywnej skali użyteczności, z sytuacją uniknięcia kary związane jest poczucie ulgi. To właśnie to uczucie może działać w sposób nagradzający. W ten sposób mózg zyskuje możliwość stosowania podobnych mechanizmów uczenia w sytuacji dążenia do nagrody i unikania kary.
Kamil Bonna zagadnieniom tym postanowił przyjrzeć się w swojej pracy doktorskiej – szczególny nacisk kładzie na rozróżnienie pomiędzy obiektywnym a względnym odbiorem wartości nagród i kar, które mogą być uzależnione od kontekstu eksperymentalnego.
Rozróżnienie to umożliwi lepsze zrozumienie sposobu, w jaki mózg dynamicznie konstruuje sygnał nagrody i kary oraz w jaki sposób sygnał ten jest wykorzystywany w procesach uczenia – tłumaczy Bonna. – Uściślając jeszcze bardziej, badania prowadzone w moim projekcie doktorskim stanowią syntezę dwóch bardzo młodych i dynamicznie rozwijających się obszarów nauki – konektomiki, która bada, w jaki sposób obszary mózgu komunikują się ze sobą w trakcie procesów poznawczych oraz neuroekonomii badającej, w jaki sposób mózg realizuje procesy podejmowania decyzji. Połączenie tych dwóch obszarów jest kluczowe dla rozwoju naszego zrozumienia procesów uczenia.
Chcąc odpowiedzieć na tak postawione pytania, naukowiec przeprowadził badanie z użyciem skanera fMRI. Wzięły w nim udział 33 zdrowe osoby. Ochotnicy mieli do wykonania zadania angażujące uczenie metodą prób i błędów w kontekście zysku i straty. Skuteczne wykonanie zadania wymagało ciągłego monitorowania efektów podejmowanych przez nich decyzji – co dwie sekundy zbierano obrazy ich mózgów, sprawdzając które obszary są bardziej, a które mniej zaangażowane w cały proces.
Kolejnym etapem pracy nad rozprawą doktorską oraz rozwikłaniem zagadnienia będzie analiza zebranych danych neuroobrazowych. Kamil Bonna planuje w tym zakresie współpracę z cenioną grupą badawczą Reward and Homeostasis pod opieką dr Olivera Hulme podczas stażu w Danish Research Center for Magnetic Resonance w Kopenhadze.
Celem analizy zebranych danych behawioralnych i neuroobrazowych jest zlokalizowanie obszarów w mózgu odpowiedzialnych za przetwarzanie i wysyłanie błędów predykcji oraz określenie, w jaki sposób kontekst eksperymentalny wpływa na komunikację między nimi – wyjaśnia Bonna.
Kamil Bonna ma nadzieję, że wyniki jego badań będą mogły przyczynić się do głębszego zrozumienia mechanizmów uzależnienia, zmian zachowania w okresie dojrzewania oraz chorób neurodegeneracyjnych atakujących neurony dopaminergiczne, np. takich jak choroba Parkinsona.
Kamil Bonna, absolwent Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej na UMK. Pod kierunkiem prof. dr. hab. Włodzisława Ducha napisał i obronił pracę magisterską dotyczącą generatywnych modeli sieci funkcjonalnych w ludzkim mózgu. Obecnie student Interdyscyplinarnych Studiów Doktoranckich Nauk Fizycznych UMK na kierunku biofizyka. We współpracy z Interdyscyplinarnym Centrum Nowoczesnych Technologii prowadzi badania z wykorzystaniem funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI). Jest zaangażowany w analizę danych fMRI w projektach dotyczących neuroplastycznych zmian wywołanych treningiem poznawczym oraz neuronalnych korelatów świadomości. Jego zainteresowania naukowe koncentrują się wokół neuroekonomii i konektomiki. Współautor publikacji o zasięgu międzynarodowym oraz beneficjent stypendium dla najlepszych doktorantów UMK. Do jego głównych zadań w projekcie należą: projektowanie zadania poznawczego do sekwencji funkcjonalnej w badaniu fMRI i analiza danych neuroobrazowych. Prywatnie tańczy popping, interesuje się kulturą hip-hop i kinematografią. Uwielbia gotować i zawsze stara się propagować zdrowy styl życia.
