Die Neurowissenschaft der Meisterschaft durch Trial-and-Error-Learning

Purkinje-Zellen des Kleinhirns stimmen koordinierte motorische Bewegungen ab.

Zeichnung von Purkinje-Zellen (A) und Körnerzellen (B) aus Tauben-Kleinhirn von Santiago Ramón y Cajal, 1899; Instituto Cajal, Madrid, Spanien.

Quelle: Wikipedia / Public Domain

Ein Team von Forschern an der Johns Hopkins University hat aufregende neue Details darüber entdeckt, wie zerebelläre Purkinje-Zellen komplexe Bewegungen durch einen Versuch-und-Irrtum-Lernprozess meistern, bei dem jeder Fehler während der Übung dem Kleinhirn hilft, die fein abgestimmte motorische Koordination zu verbessern. Dieses Papier, “Kodierung des Fehlers und lernen, diesen Fehler durch die Purkinje Zellen des Kleinhirns zu korrigieren”, wurde online 16. April in der Zeitschrift Nature Neuroscience veröffentlicht .

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Der bedeutendste Aspekt dieser Studie ist, dass der leitende Autor Reza Shadmehr, Professor für Biomedizintechnik und Neurowissenschaften an der Medizinischen Fakultät der Johns Hopkins Universität, und Kollegen herausgefunden haben, wie Purkinje Zellen funktionieren. Diese Forschung fügt neue Einblicke und empirische Beweise hinzu, um bahnbrechende Arbeiten aus dem 20. Jahrhundert zu unterstützen, die darüber spekulierten, was die mysteriösen Purkinje-Zellen tatsächlich taten, wie “Das Kleinhirn als neuronale Maschine” (John Eccles et al., 1967), “A Theorie des zerebellären Cortex “(David Marr, 1969) und” Eine Theorie der zerebellären Funktion “(James S. Albus, 1971).

Kleinhirn (lateinisch für “kleines Gehirn”) in rot. “Kleinhirn” bedeutet “im Kleinhirn befindlich oder im Kleinhirn befindlich”.

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Quelle: Biowissenschaftsdatenbank / Wikipedia Commons

Eine Pressemitteilung vom 3. Mai 2018 über die hochmoderne Purkinje-Zellforschung, die an der Johns Hopkins Medicine durchgeführt wird, “Entschlüsselung der Lernmaschine des Gehirns”, beschreibt das Kleinhirn als eine “lernende Maschine” im Säugetiergehirn. Ihre jüngste Studie über Affen zeigt, dass Purkinje-Zellen Vorhersagen machen und lernen, komplexe Aufgaben zu bewältigen, indem sie ständig kleine Fehler korrigieren. Mit der Praxis nehmen Fehler ab und die Präzision nimmt zu. Im Laufe der Zeit führt dies zu dem, was ich ” Superfluidität ” nenne.

Quelle: Wikipedia / Creative Commons

Als sportliches Beispiel für Purkinje-basierte Kleinhirn-Meisterschaft, sagt die Aussage: “Wenn man lernt, einen Basketball zu schießen, vermisst man normalerweise viele Male, bevor man einen Schuss durch den Reifen bekommt. Während sich der Arm bewegt, macht das Kleinhirn Vorhersagen über die Folgen der Handlung. Wenn die Vorhersage nicht der Realität entspricht – dh der Ball verfehlt den Reifen – erhält das Kleinhirn Feedback von den Augen und dem Arm, um aus dem Fehler zu lernen, Feinabstimmungsfaktoren wie Ziel, Kraft und Freigabe, um einen Korb zu machen. Diese Studie, die aus Fehlern lernt, führt zu allmählichen Leistungsverbesserungen. “Derselbe Prozess von trivialem und zerebellärem Lernen findet in jeder Sportart statt und hilft zu erklären, warum Übung den Meister macht. Bemerkenswert ist, dass ein “Auge für den Ball” auch direkt mit dem Kleinhirn und unserem vestibulookulären Reflex (VOR) verbunden ist.

Purkinje Zellen Master Trial-and-Error Lernen über “einfache” und “komplexe” Spikes

Nach den neuesten Forschungen von Johns Hopkins kommunizieren Purkinje-Zellen über zwei Arten von elektrischen Signalen, die als “einfache Spikes” und “komplexe Spikes” bezeichnet werden. Einfache Spikes spiegeln Vorhersagen wider, dass Purkinje-Zellen über optimale Bewegungen verfügen. Komplexe Spikes reflektieren Informationen, die an einen Cluster von Purkinje-Zellen gesendet werden, um sie darüber zu informieren, ob ein Fehler in der Vorhersage aufgetreten ist oder ob das Timing und die Geschwindigkeit einer Bewegung genau waren. Für jede einzigartige motorische Fähigkeit erhalten spezialisierte Purkinje-Zellen alle die gleiche Fehlermeldung und scheinen zusammen zu arbeiten, wenn sie geeignete Motorkorrekturen aufgrund eines bestimmten Fehlers vornehmen.

“Sie können sich die einfachen Spikes als den ‘Schüler’ vorstellen, der eine Vorhersage macht, und die komplexen Spikes als ‘Lehrer’, der Rückmeldung gibt”, sagte Shadmehr in einer Erklärung.

Laut Shadmehr: “Einer der Vorteile der Architektur des Kleinhirns ist, dass es Erinnerungen schützt.” Sobald das Muskelgedächtnis erforderlich ist, um etwas zu tun, das in erster Linie Kleinhirn (wie Fahrradfahren) ist, gehämmert und geschmiedet in Ihre Purkinje-Zellen komplexe Spikes, die mit der Koordination dieser Motorik verbunden sind, werden fest verdrahtet.

Touch-Typing beruht auf Purkinje-Based Cerebellar Learning

Die Beherrschung der Fähigkeit des “Tippens”, ohne auf die Tastatur zu schauen, ist ein perfektes alltägliches Beispiel für Purkinje-Zellen-basiertes Versuch-und-Irrtum-Lernen. Wenn Sie das nächste Mal an einer Tastatur arbeiten, legen Sie die Spitzen Ihres linken und rechten Zeigefingers auf die kleinen Grate, die sich auf den Tasten “F” und “J” befinden. Wenn Sie Ihre Hände in diese “Ausgangsposition” bringen, wird Ihr Kleinhirn automatisch informiert, wo sich alle Finger in Bezug auf bestimmte Tasten befinden. Dies schafft Vorhersagbarkeit über Kleinhirn-Propriozeption.

Können Sie tippen ” der schnelle rote Fuchs springt über den faulen braunen Hund “, ohne auf die Schlüssel zu schauen? Wenn ja, wie oft in einer Minute können Sie diese 10 Wörter eingeben? Dieser Satz enthält alle Buchstaben des Alphabets und ist ein Goldstandard, um die Fähigkeit eines Menschen zum Tippen zu testen. Mit etwas Übung lernen Ihre Finger implizit, wo sich alle Tasten befinden und Sie können die Eingabe von mehr als 40 Wörtern pro Minute (WPM) beherrschen, was als “durchschnittliche” Geschwindigkeit gilt.

Basierend auf den neuesten Forschungen von Johns Hopkins über Versuch-und-Irrtum-Lernen, könnte man spekulieren, dass je mehr Sie üben, Fehler zu korrigieren, während Sie ” den schnellen roten Fuchs springt über den faulen braunen Hund ” eingeben, dass Cluster von Purkinje-Zellen fein abgestimmt werden um diese Fertigkeit über einfache und komplexe Spikes zu meistern.

Interessanterweise verlieren die meisten Touch-Typisten nach der impliziten Fähigkeit Ihres Kleinhirns, vorherzusagen, wo sich die richtigen Buchstaben befinden, ihr zerebrales Wissen und ihr deklaratives Gedächtnis, wo sie sagen können, wo sich jeder Buchstabe auf einer QWERTY-Tastatur befindet. Anekdotisch kann ich dieses Phänomen bestätigen. Als jemand, der seit der Highschool mit dem Tippen begonnen hat, um die zwei Tasten mit Braille-ähnlichen Graten zu beschreiben, musste ich auf die Tastatur schauen, um zu verifizieren, dass “F” und “J” sind, wo ich die Spitzen intuitiv platziere meiner Zeigefinger jedes Mal, wenn ich anfange zu tippen.

Wenn Sie jemand gefragt hat, wo sich die Home-Tasten (A, S, D und F für die linke Hand und J, K, L und Semikolon für die rechte Hand) auf einer QWERTY-Tastatur befinden, würden Sie die Antwort wissen? (Einige Kleinigkeiten: Der Name dieses standardisierten Tastaturlayouts kommt aus der Reihenfolge der sechs Buchstaben oben in der oberen linken Reihe.)

Unten sehen Sie ein 2-minütiges Video von Forschern der Vanderbilt University, das veranschaulicht, wie wir automatisch lernen können, ohne explizit zu wissen, wo sich bestimmte Buchstabenschlüssel befinden:

Eine Beschädigung der Struktur oder der funktionellen Konnektivität des Kleinhirns kann die Fähigkeit eines Menschen, motorische Bewegungen flüssig zu koordinieren und auszuführen, stark beeinflussen. Erkrankungen, die das Kleinhirn betreffen, führen typischerweise zu verschiedenen Formen von Ataxie und Dysmetrie. Eine der möglichen Anwendungen der neuesten Johns-Hopkins-Forschung zu Purkinje-Zellen und dem Kleinhirn-Prozess des Versuch-und-Irrtum-Lernens könnte die Entwicklung von verfeinerten Methoden zur Diagnose von Kleinhirn-Anomalien sein.

Eine weitere Arbeit, “Lokomotorische Aktivität moduliert assoziatives Lernen in Maus-Kleinhirn”, wurde ebenfalls am 16. April in Nature Neuroscience veröffentlicht. Diese Studie   fanden heraus, dass Mäuse, die schneller auf einem Laufband laufen, implizite Gedächtnisaufgaben schneller lernen als ihre langsamer laufenden Gegenstücke. Weitere Informationen finden Sie unter “Warum beschleunigt das schnellere Lernen im Kleinhirn?”

Verweise

David J. Herzfeld, Yoshiko Kojima, Robijanto Soetedjo und Reza Shadmehr. “Kodierung von Fehlern und Lernen, diesen Fehler durch die Purkinje-Zellen des Kleinhirns zu korrigieren.” Nature Neuroscience (veröffentlicht am 16. April 2018) DOI: 10.1038 / s41593-018-0136-y

David J., Herzfeld, Yoshiko Kojima, Robijanto Soetedjo und Reza Shadmehr. “Kodierung der Aktion durch die Purkinje-Zellen des Kleinhirns.” Nature (2015) DOI: 10.1038 / nature15693

John Eccles, Janos Szentágothai und Masao Ito. “Das Kleinhirn als neuronale Maschine.” New York: Springer Verlag; (1967)

David Marr. “Eine Theorie des zerebellären Cortex” Das Journal of Physiology (1969) DOI: 10.1113 / jphysiol.1969.sp008820

James S. Albus. “Eine Theorie der zerebellären Funktion”. Mathematische Biowissenschaften (1971) DOI: 10.1016 / 0025-5564 (71) 90051-4

Piergiorgio Strata. “David Marrs Theorie des zerebellären Lernens: 40 Jahre später” Das Journal of Physiology (2009) DOI: 10.1113 / jphysiol.2009.180307

Catarina Albergaria, N. Tatiana Silva, Dominique L. Pritchett und Megan R. Carey. “Lokomotorische Aktivität moduliert das assoziative Lernen im Kleinhirn der Maus.” Nature Neuroscience (veröffentlicht am 16. April 2018) DOI: 10.1038 / s41593-018-0129-x