Es dauerte 8 Jahre, bis er seinen Artikel in Science endlich veröffentlichen konnte, in dem er bewies, dass Mäuse über eine menschenähnliche Vorstellungskraft verfügen!

Das Gehirn einer Maus ist nur so groß wie unsere Daumenspitze, doch eine neue Studie zeigt, dass Mäuse ebenso wie Menschen über Vorstellungskraft verfügen. Sie nutzen ihre Vorstellungskraft, um sich in einen Raum zu versetzen, den sie zuvor erkundet haben, oder um ein entferntes Objekt an einen bestimmten Ort zu bewegen. Forscher sind davon überzeugt, dass diese Errungenschaft in Zukunft sowohl in der klinischen als auch in der Grundlagenforschung von großem Nutzen sein wird.

Geschrieben von | Wangxiang

„Vorstellungskraft ist für die menschliche Gesellschaft lebenswichtig. Fast alle Erfindungen passieren zweimal, das erste Mal in der Vorstellung und das zweite Mal in der Realität“, sagte Lai Chongxi gegenüber Fanpu.

Als Postdoktorand am Howard Hughes Medical Institute (HHMI) dürfte er zu dieser Zeit äußerst aufgeregt gewesen sein. Denn gerade am 2. November veröffentlichte er als Erstautor einen Artikel in der Fachzeitschrift Science, der ein Geheimnis enthüllt, das die Wahrnehmung untergräbt: Wie Menschen verfügen auch Mäuse über Vorstellungskraft. Sie nutzen ihre Vorstellungskraft, um sich in einen Raum zu versetzen, den sie zuvor erkundet haben, oder um ein entferntes Objekt an einen bestimmten Ort zu bewegen.

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Diese Fähigkeit, sich Orte vorzustellen, die weit vom aktuellen Standort entfernt sind, ist die Grundlage für die Erinnerung an vergangene Ereignisse und die Vorstellung möglicher zukünftiger Szenarien.

„Jetzt haben wir herausgefunden, dass Tiere dazu in der Lage sind, und wir haben eine Möglichkeit gefunden, dies zu untersuchen“, sagte Albert K. Lee, ehemals leitender Forscher am Janelia Research Campus des HHMI und jetzt HHMI-Forscher am Beth Israel Deaconess Medical Center.

James W. Phillips, ehemaliger Sonderberater des britischen Premierministers für Wirtschafts-, Energie- und Industriestrategie, lobte die Forschung in den höchsten Tönen: „Dies ist eine der beeindruckendsten Arbeiten, die ich je im Bereich der Neurowissenschaften gesehen habe. Ich denke, diese Technologie hat ein enormes Potenzial und kann zum Mittelpunkt metawissenschaftlicher institutioneller Experimente werden.“ Er war Lai Chongxis Klassenkamerad, als dieser an der Universität Cambridge in Großbritannien promovierte.

Lai Chongxi selbst wirkte etwas ruhiger. „Diese Forschung hat lange gedauert, insgesamt fast acht Jahre. Jetzt, wo die Ergebnisse vorliegen, bin ich nicht mehr so ​​begeistert.“ Aber er ist seinem „Chef“ für seine ausreichende Unterstützung und Geduld sehr dankbar. Denn: „Wenn einige Chefs nicht warten können, kann es passieren, dass die Forschung abgebrochen wird.“ Die beiden „Chefs“ sind auch die korrespondierenden Autoren dieses Artikels, einer ist Albert Lee, der andere ist Timothy D. Harris, Projektleiter und leitender Forscher am HHMI.

Stereotyp: Ratten haben keine Vorstellungskraft

Das Gehirn einer Maus ist tatsächlich viel kleiner als unseres, etwa so groß wie unsere Daumenspitze. Dies ging so weit, dass viele Wissenschaftler im letzten Jahrhundert noch glaubten, das Mäusegehirn sei lediglich ein einfaches Reiz-Reaktionssystem.

Im frühen 20. Jahrhundert gewann der Behaviorismus in den Bereichen Psychologie und Biologie an Bedeutung. Die Kernidee dieser Theorie besteht darin, dass das Lernen und Verhalten einzelner Organismen hauptsächlich durch Reaktionen auf Belohnungen und Bestrafungen gesteuert werden. Behavioristen glauben, dass Individuen auf Reize in ihrer Umgebung reagieren und ihr Verhalten anhand der Konsequenzen (Belohnung oder Bestrafung) dieser Reize anpassen. Mit anderen Worten, die Behaviorismus-Theorie betont die Beziehung zwischen externen Reizen und Reaktionen und glaubt, dass dies der Hauptmechanismus für die Verhaltensbildung ist.

Edward Tolman, Professor an der University of California in Berkeley, ist anderer Meinung. Im Jahr 1948 veröffentlichte er „Cognitive Maps in Rats and Men“ und schlug darin ein Konzept namens „kognitive Karten“ vor. Er argumentierte, dass Menschen und Tiere bei der Erkundung ihrer Umwelt eine mentale Repräsentation der Außenwelt in ihrem Gehirn bilden und diese Repräsentationen mentale Modelle konstruieren, die ihr Verhalten steuern.

Mit anderen Worten: Auch ohne Belohnungs- oder Bestrafungsmechanismen speichert das Gehirn des Organismus Informationen über die Umgebung und modelliert diese.

Im Jahr 1971 fand der amerikanische Wissenschaftler John O'Keefe Beweise für Tolmans Theorie auf der Ebene der Gehirnzellaktivität. Er entdeckte im Hippocampus-Bereich des Mäusegehirns einen speziellen Nervenzelltyp, der der räumlichen Ortung dient.

Der experimentelle Ablauf ist wie folgt. Er implantierte Elektrodenaufzeichnungsgeräte in den Hippocampus des Gehirns von Mäusen und ließ die Mäuse dann in einem unbekannten Raum frei herumlaufen. Wenn die Maus zu einem bestimmten Ort ging, erhöhte sich die Feuerrate der Zellen im Gehirn, die diesen Ort kodierten. O'Keefe nannte diese Zellen „Ortszellen“. Verschiedene Ortszellen entsprechen einem bestimmten Ort und bilden im Gehirn eine Karte der Umgebung. Für diese Entdeckung erhielt O'Keefe 2014 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

Wenn der menschliche Hippocampus schwer geschädigt ist, verliert der menschliche Körper die Fähigkeit, sich an die Vergangenheit zu erinnern und sich die Zukunft vorzustellen. Viele Fallstudien ähnlicher Patienten haben dasselbe Phänomen bestätigt. Eine der bekanntesten Arbeiten wurde 2007 von Demis Hassabis und seinem Mentor veröffentlicht. Später wandte sich Hassabis der Industrie zu und gründete das auf künstliche Intelligenz spezialisierte Unternehmen DeepMind, das die aktuelle KI-Revolution anführt.

Mit anderen Worten: Für die Fähigkeit des Menschen, sich psychologisch in die Vergangenheit zu projizieren und vergangene Ereignisse erneut zu erleben, sowie sich in die Zukunft zu projizieren und zukünftige Ereignisse vorab zu erleben, gibt es einen speziellen Begriff: „mentale Zeitreise“. Dabei handelt es sich um eine spezielle Art der Vorstellungskraft, die eng mit Erinnerungen an Zeit, Ort, Menschen und Ereignisse verknüpft ist.

Können Mäuse also durch die psychologische Zeit reisen?

Tatsächlich ist das Gehirngewebe von Nagetieren und Primaten unter dem Mikroskop so ähnlich, dass man nur mit geschultem Auge sie unterscheiden kann.

Darüber hinaus haben Neurowissenschaftler bereits Signale aus dem Gehirn von Nagetieren entschlüsselt und festgestellt, dass es sich dabei nicht nur um Reaktionen auf Sinnesempfindungen oder Bewegungsbefehle handelt. Wenn sich die Maus beispielsweise an einer bestimmten Position befindet, werden die entsprechenden Ortszellen aktiv. Wissenschaftler können den Standort von Ortszellen bestimmen, indem sie deren Aktivität aufzeichnen.

Für die meisten Menschen genügt das bloße Wissen, wo man sich befindet, jedoch nicht dem Standard der „Vorstellungskraft“, da die Konnotation der Vorstellungskraft über die unmittelbare Situation hinausgeht. Und noch im Jahr 2010 behaupteten Primatenforscher, Mäusen fehle es an „kognitiven Fähigkeiten“.

Niemand hat eine endgültige Antwort.

Lai Chongxi wollte ein Tiermodell entwickeln, um systematische Forschungen durchzuführen: Wenn Mäuse entsprechende Ortszellen aktivieren können, ohne an einen bestimmten Ort zu gehen, indem sie sich einfach vorstellen, dass sie an einen bestimmten Ort gegangen sind, dann kommt dieses Verhalten der menschlichen psychologischen Zeitreise sehr nahe.

Lesen "Denken"

Im August 2014 begann Lai Chongxi sein Studium an der Universität Cambridge, um in Neurowissenschaften zu promovieren. Zu dieser Zeit hatte er bereits begonnen, dieses Experiment in seinem Kopf zu konzipieren und zu entwerfen.

Eines Tages im Jahr 2015 unterhielten sich seine Klassenkameraden Phillips und Lai Chongxi am See und er hörte zum ersten Mal von den ersten Ideen dieses Projekts. Er dachte sofort, dass Lai Chongxi der klügste und kreativste Neurowissenschaftler seiner Generation war, den er in Großbritannien kennengelernt hatte. Jahre später schrieb er: „Als er es mir zum ersten Mal beschrieb, kam es mir wie etwas aus der fernen Zukunft vor, ein gewaltiger konzeptioneller Sprung, der technologische Fortschritte und Entdeckungen sowie ein tiefes Verständnis der Konzepte erfordern würde, um ihn zu erreichen.“

Die Hauptschwierigkeit bei diesem Experiment besteht darin, dass man den Ratten nicht sagen kann, was sie denken oder tun sollen. Sie müssen ihnen einige Hinweise geben, beispielsweise indem Sie sie für die Ausführung einer bestimmten Aktion belohnen. Diese Art des Verhaltenstrainings ist sowohl eine Wissenschaft als auch eine Kunst.

Gleichzeitig ist es für Sie schwierig zu wissen, was die Maus denkt. Lai Chongxi entwickelte einen genialen Versuchsaufbau: Wenn Mäuse tatsächlich denken und sich etwas vorstellen können, dann sollte es möglich sein, die Aktivität der entsprechenden Ortszellen auf vorhersehbare Weise aufzuzeichnen, wenn man sie dazu bringt, darüber nachzudenken, an einen bestimmten Ort zu gehen.

Um zu untersuchen, ob Mäuse dazu in der Lage sind, verwendeten sie die Brain-Computer-Interface-Technologie (BMI). Dabei wurden ihnen Elektroden chirurgisch ins Gehirn implantiert, sodass sie durch räumliche Vorstellungskraft durch das Metaversum reisen konnten. Im Experiment wurden Mäuse auf einem sphärischen Laufband in einer 360-Grad-immersiven virtuellen Realität (VR) platziert und in der virtuellen Welt ein Ziel angezeigt, auf das die Mäuse zulaufen sollten.

Während die Maus auf dem Laufband lief, wurden ihre Bewegungen auf dem 360-Grad-Bildschirm übertragen und ihre Position in der VR-Umgebung gleichzeitig auf dem Bildschirm aktualisiert – so, als würde sich die Maus in der realen Umgebung bewegen. Als die Mäuse den Zielort erreichten, erhielten sie eine Belohnung (Wasser). Anschließend werden in der VR-Umgebung neue Ziele generiert und der Vorgang wiederholt. Die Mäuse lernten die Aufgabe innerhalb einer Woche. [Bitte gehen Sie zu „Fanpu“, um das Video anzusehen]

In der Anfangsphase zeichnete das Team die Aktivität von Ortszellen auf. Anschließend nutzten sie künstliche Intelligenz, um die Aktivität der biologischen neuronalen Netzwerke zu entschlüsseln und zu berechnen, wo sich die Mäuse in der Virtual-Reality-Aufgabe zu befinden glaubten.

Als nächstes übernahmen sie eine Mission, die nach dem Film „Jumper“ benannt war. Das Team schaltete die Laufbänder ab, sodass die Mäuse ihr Ziel nicht durch Laufen erreichen konnten. Dies zwingt sie dazu, sich in der VR-Umgebung nur mithilfe ihrer Gehirnaktivität zu bewegen. Wenn die Gehirnaktivität der Ratte als im Zielbereich liegend dekodiert wurde, bewegte sie sich in Richtung dieses Ortes und erhielt beim Erreichen des Zielortes eine Belohnung.

Teleportation im Film Jump

Die Ergebnisse zeigten, dass die Mäuse tatsächlich allein durch ihre Gehirnaktivität zu ihrem Ziel navigieren konnten. Im Wesentlichen navigierten die Mäuse mithilfe ihres Verstandes und überlegten zunächst, wohin sie gehen mussten, um ihre Belohnung zu erhalten. Diesen Denkprozess durchlaufen Menschen häufig. Wenn Sie beispielsweise von einem Freund in ein bekanntes Restaurant eingeladen werden, können Sie sich vor der Abreise die Orte vorstellen, die Sie auf dem Weg besuchen werden.

Das Jumper-Experiment offenbarte jedoch auch ein Problem: Es ist schwierig, Mäuse völlig ruhig zu halten. Menschen machen die gleiche Erfahrung. Wenn die Umgebung, in der Sie sich befinden, zu schweben beginnt, möchten Sie sich unwillkürlich mit der Umgebung bewegen, und es ist schwierig, diesen Impuls zu unterdrücken. Selbst wenn es blockiert ist, erzeugt das Gehirn noch immer einige Signale und erzeugt so Rauschen.

Um dieses Problem zu lösen, entwarf Chongxi eine zweite Mission namens „Jedi“ (in Anlehnung an Jedi Knight, eine Hommage an den Film „Star Wars“). Im Experiment waren die Mäuse selbst stationär, mussten jedoch ein Objekt auf dem Bildschirm allein durch Gehirnaktivität zu einem bestimmten Ziel in der VR-Umgebung „bewegen“. Es ist, als würde eine Person in einem Büro sitzen und sich vorstellen, die Tasse neben der Kaffeemaschine zu nehmen und sie mit Kaffee zu füllen. Anschließend änderte das Team den Standort des Ziels und forderte die Tiere auf, Aktivitätsmuster zu erzeugen, die mit dem neuen Standort in Zusammenhang stehen. Die Mäuse haben die Aufgabe erneut erledigt.

Das Team fand heraus, dass Mäuse ihre Hippocampus-Aktivität präzise und flexibel steuern können, wahrscheinlich auf ähnliche Weise wie Menschen. Eine überraschende Entdeckung war, dass die Tiere auch in der Lage waren, diese Hippocampus-Aktivität aufrechtzuerhalten, indem sie ihren Geist mehrere Sekunden lang auf einen bestimmten Punkt fixierten – ein Zeitraum, der dem ähnelt, in dem Menschen vergangene Ereignisse wiedererleben oder sich neue Situationen vorstellen.

Aus wissenschaftlicher Sicht bietet diese Arbeit den bislang überzeugendsten Nachweis der kognitiven Fähigkeiten von Nagetieren. Aus technologischer Entwicklungsperspektive bietet diese Arbeit eine Gehirn-Computer-Schnittstellenmethode zum Lesen abstrakter Signale in tiefem Hirngewebe, beispielsweise dem Hippocampus. Zwar wurden seit Anfang der 1990er Jahre Gehirn-Computer-Schnittstellen entwickelt, diese waren jedoch auf die Großhirnrinde (insbesondere den Motorkortex) beschränkt. Dies ist bislang die erste Arbeit, die die Aktivität kognitiver Karten im tiefen Hirngewebe von Tieren untersucht.

Der Kreislauf der Entdeckung und Erfindung

Lai Chongxi ist äußerst fasziniert von Gehirnfunktionen, insbesondere von der „Vorstellungskraft“.

Sein Interesse wurde maßgeblich durch das Buch „Auf der Suche nach der Erinnerung“ geleitet. Das Buch des Neurowissenschaftlers Eric Kandel stellt nicht nur sein Privat- und Berufsleben dar, sondern stellt auch die Entwicklung und wichtigen Entdeckungen der Neurowissenschaften sowie die Natur und Bedeutung des Gedächtnisses vor.

In Bezug auf die Rolle der Vorstellungskraft im Menschen vertritt Lai Chongxi die Ansicht des britischen Philosophen David Hume: Alle Menschen könnten von der Vorstellungskraft beherrscht werden, und ohne Vorstellungskraft gäbe es keine sozialen Verhältnisse.

Lai Chongxi丨Quelle: Von mir selbst bereitgestellt

Es ist die Neugier, wie das Gehirn Vorstellungskraft hervorbringt, die Lai Chongxi dazu bewegt hat, sich seit mehr als acht Jahren auf dieses Thema zu konzentrieren.

Obwohl Lai Chongxis Ideen und Entwürfe sehr genial waren, bereitete ihm der Mangel an vorgefertigten Hippocampus-Gehirn-Computer-Schnittstellenwerkzeugen Sorgen. „Diese Art von Gehirn-Computer-Schnittstelle für tiefes Gewebe gibt es einfach nicht, also müssen wir etwas völlig Neues schaffen.“ Eine invasive Gehirn-Computer-Schnittstelle besteht aus drei Teilen. Der erste Schritt besteht in der Verwendung einer Anordnung zellgroßer Mikroelektroden zum Lesen der elektrischen Signale von Nervenzellen. Der zweite Schritt besteht darin, Tools zur Online-Analyse der neuronalen Aktivität zu verwenden, die die ursprünglichen elektrischen Signale in Impulssignale umwandeln. Es sind diese neuronalen Impulssignale, die die neuronale Kodierung der Außenwelt und der eigenen Gedanken im Gehirn vervollständigen. Der dritte Schritt ist der Decoder, der die Impulssignale einer großen Anzahl von Zellen in interpretierbare Variablen, beispielsweise die räumliche Position, umwandelt. Lai Chongxi sagte, dass sie von Grund auf ein Online-Analysetool auf Basis eines Field Programmable Gate Array (FPGA) zur Ausgabe neuronaler Impulssignale entwickelt hätten und dass allein dieser Schritt vier Jahre gedauert habe.

O'Keefe, der Entdecker der Ortszellen, sagte Lai Chongxi einmal persönlich, dass er bereits in den 1990er Jahren Ingenieure organisieren wolle, um dieses Werkzeug herzustellen. Allerdings wurden erst nach 2016 einige brauchbare Tools entwickelt.

Was wir fertiggestellt haben, ist das fortschrittlichste, genaueste und schnellste der wenigen Online-Tools zur neuronalen Aufzeichnung und Analyse. Es ist zudem der einzige FPGA-Chip, mit dem der Decoder innerhalb einer Millisekunde Informationen über eine einzelne Nervenzelle und einen einzelnen Nervenimpuls abrufen kann. Der Durchbruch bei technischen Indikatoren hat der wissenschaftlichen Forschung viele Möglichkeiten eröffnet. Die Gehirn-Computer-Schnittstelle für tiefes Hirngewebe ist eine davon. Lai Chongxi sagte es Fanpu.

Phillips ist der Ansicht, dass es in der traditionellen Forschung schwierig ist, Technik und Entdeckung langfristig Hand in Hand gehen zu lassen, doch die Forschung von Lai Chongxi und seinen Kollegen liefert ein gutes Beispiel für die Verwirklichung des „Kreislaufs aus Entdeckung und Erfindung“. Als Lai mit dem Projekt begann, konzentrierte er sich zunächst auf die Technologie und hoffte, dass er in der Lage sein würde, eine Größenordnung mehr Neuronen gleichzeitig aufzuzeichnen als zu Beginn und ihre Bedeutung in einer Millisekunde statt in Stunden zu entschlüsseln. Die Anzahl und Genauigkeit der Neuronen, die gleichzeitig verarbeitet werden können, sind der Schlüssel zur Dekodierungsqualität. Je schneller die neuronalen Signale verarbeitet werden, desto mehr Zeitbudget bleibt für den Decoder übrig.

Ebenso wichtig sind Decoder und Online-Aufzeichnungsanalysetools. Herkömmliche Decoder reagieren sehr empfindlich auf Störungen, die von der Vorstellungskraft selbst oder von winzigen Änderungen der Position der Mikroelektroden im Gehirn herrühren können. Um diese Schwierigkeiten zu lösen, verwendete Lai Chongxi den fortschrittlichsten KI-Algorithmus, um den Rauschunterdrückungsprozess abzuschließen. Nachdem Lai Chongxi und sein Team den selbst entwickelten FPGA-Chip in konkreten Experimenten eingesetzt hatten, machten sie sich daran, eine Mapping-Beziehung mit VR, VR-Programmierung, Tierverhaltenstraining usw. herzustellen, Daten aufzuzeichnen und zu analysieren und dabei den KI-Decoder kontinuierlich zu optimieren. Bis zur Fertigstellung all dieser Arbeiten dauerte es weitere vier Jahre.

Caleb Kemere, Professor an der Rice University, schrieb in einem Meinungskolumnen im Magazin Science: „Diese Entdeckung stellt eine spannende Erweiterung der Anwendung von Gehirn-Maschine-Schnittstellen (BMIs) von sensorischen und motorischen Funktionen auf kognitivere Bereiche dar und legt nahe, dass die Aktivität des Hippocampus einer willentlichen Kontrolle unterliegt.“

Lai Chongxi hofft, in Zukunft auf der Grundlage dieser Errungenschaft klinische Forschung betreiben zu können. Er glaubt, dass alle diese Werkzeugketten bei Menschen eingesetzt werden können. Mikroelektroden werden tief in das Hirngewebe implantiert und die online analysierte neuronale Aktivität wird dann von der KI dekodiert, um abstrakte Gedanken zu lesen und Rauschen zu entfernen. Anschließend wird das Gehirn oder die Umgebung nach Bedarf manipuliert. Mithilfe solcher Tools könnte es in Zukunft möglich sein, dem Gehirn vorzulesen und darin zu schreiben.

Lai Chongxi ist davon überzeugt, dass diese Toolchain sowohl in der klinischen Forschung als auch in der Grundlagenforschung von großem Nutzen sein wird.

Verweise

[1] https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh5206

[2] https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.04.07.536077v1

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.

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