Sila zmiešanej selektivity: pochopenie funkcie mozgu a poznávania

Každý deň sa naše mozgy snažia optimalizovať kompromis: s toľkými udalosťami, ktoré sa okolo nás dejú, a zároveň s toľkými vnútornými nutkaniami a spomienkami, naše myšlienky musia byť flexibilné, ale dostatočne sústredené, aby nás viedli vo všetkom, čo musíme urobiť. V novom článku v časopise Neuron tím neurovedcov opisuje, ako mozog dosahuje kognitívnu schopnosť integrovať všetky relevantné informácie bez toho, aby bol zahltený tým, čo nie je dôležité.

Autori tvrdia, že táto flexibilita pramení z kľúčovej vlastnosti pozorovanej v mnohých neurónoch: „zmiešanej selektivity“. Zatiaľ čo mnohí neurovedci si predtým mysleli, že každá bunka má iba jednu špecializovanú funkciu, novšie dôkazy ukázali, že mnoho neurónov sa môže zúčastňovať rôznych výpočtových súborov pracujúcich paralelne. Inými slovami, keď králik zvažuje okusovanie šalátu v záhrade, jeden neurón sa môže podieľať nielen na hodnotení jeho hladu, ale aj na počutí jastraba nad hlavou alebo cítiť kojota v stromoch a posúdiť, ako ďaleko sa šalát nachádza.

Mozog nevykonáva viacero úloh naraz, uviedol spoluautor článku Earl K. Miller, profesor na Picowerovom inštitúte pre štúdium učenia a pamäte na MIT a jeden z priekopníkov myšlienky zmiešanej selektivity, ale mnohé bunky majú schopnosť zapojiť sa do viacerých výpočtov (v podstate „myšlienok“). V novom článku autori opisujú špecifické mechanizmy, ktoré mozog používa na nábor neurónov do rôznych výpočtov a na zabezpečenie toho, aby tieto neuróny predstavovali správny počet dimenzií zložitej úlohy.

Tieto neuróny vykonávajú mnoho funkcií. So zmiešanou selektivitou môžete mať reprezentačný priestor, ktorý je taký komplexný, aký potrebujete, a nič viac. V tom spočíva flexibilita kognitívnych funkcií.“

Earl K. Miller, profesor, Picowerov inštitút pre štúdium učenia a pamäte, Massachusettský technologický inštitút

Spoluautorka Kay Tai, profesorka na Salkovom inštitúte a na Kalifornskej univerzite v San Diegu, uviedla, že zmiešaná selektivita medzi neurónmi, najmä v mediálnom prefrontálnom kortexe, je kľúčom k umožneniu mnohých mentálnych schopností.

„MPFC je ako šepot, ktorý predstavuje toľko informácií prostredníctvom vysoko flexibilných a dynamických súborov,“ povedal Tai. „Zmiešaná selektivita je vlastnosť, ktorá nám dáva flexibilitu, kognitívne schopnosti a kreativitu. Je to tajomstvo maximalizácie výpočtového výkonu, ktorý je v podstate základom inteligencie.“

Pôvod myšlienky

Myšlienka zmiešanej selektivity sa zrodila v roku 2000, keď Miller a jeho kolega John Duncan obhájili prekvapivý výsledok zo štúdie kognitívnych funkcií v Millerovom laboratóriu. Keď zvieratá triedili obrázky do kategórií, zdalo sa, že sa zapojilo približne 30 percent neurónov v prefrontálnom kortexe mozgu. Skeptici, ktorí verili, že každý neurón má vyhradenú funkciu, sa vysmievali myšlienke, že mozog by mohol venovať toľko buniek len jednej úlohe. Millerova a Duncanova odpoveď znela, že bunky majú možno flexibilitu zúčastňovať sa na mnohých výpočtoch. Schopnosť slúžiť v jednej mozgovej skupine, ako to bolo v minulosti, nevylučovala ich schopnosť slúžiť mnohým ďalším.

Aký úžitok však prináša zmiešaná selektivita? V roku 2013 sa Miller spojil s dvoma spoluautormi nového článku, Mattiom Rigottim z IBM Research a Stefanom Fusim z Kolumbijskej univerzity, aby ukázali, ako zmiešaná selektivita dáva mozgu silnú výpočtovú flexibilitu. V podstate súbor neurónov so zmiešanou selektivitou dokáže spracovať oveľa viac dimenzií informácií o úlohe ako populácia neurónov s fixnými funkciami.

„Od našej pôvodnej práce sme dosiahli pokrok v chápaní teórie zmiešanej selektivity cez optiku klasických myšlienok strojového učenia,“ povedal Rigotti. „Na druhej strane, otázky dôležité pre experimentátorov týkajúce sa mechanizmov implementujúcich to na bunkovej úrovni boli relatívne málo preskúmané. Táto spolupráca a tento nový článok sa snažia túto medzeru vyplniť.“

V novej práci si autori predstavujú myš, ktorá sa rozhoduje, či zje bobuľu. Môže voňať lahodne (to je jeden rozmer). Môže byť jedovatá (to je ďalší). Ďalší rozmer alebo dva rozmery problému môžu mať podobu sociálneho signálu. Ak myš cíti bobuľu v dychu inej myši, bobuľa je pravdepodobne jedlá (v závislosti od zdanlivého zdravia druhej myši). Neurónový súbor so zmiešanou selektivitou by mohol toto všetko integrovať.

Prilákanie neurónov

Hoci zmiešanú selektivitu podporuje množstvo dôkazov – bola pozorovaná v celej kôre a v iných oblastiach mozgu, ako je hipokampus a amygdala – zostávajú otvorené otázky. Napríklad, ako sa neuróny zapájajú do úloh a ako sa neuróny s takým širokým záberom zameriavajú len na to, čo je skutočne kritické?

V novej štúdii výskumníci vrátane Marcusa Bennu z UC San Diego a Felixa Taschbacha zo Salk Institute identifikujú formy zmiešanej selektivity, ktoré výskumníci pozorovali, a tvrdia, že keď oscilácie (známe aj ako „mozgové vlny“) a neuromodulátory (chemikálie ako serotonín alebo dopamín, ktoré ovplyvňujú nervové funkcie) zapájajú neuróny do výpočtových súborov, pomáhajú im tiež „filtrovať“ to, čo je pre tento účel dôležité.

Samozrejme, niektoré neuróny sa špecializujú na konkrétny vstup, ale autori poukazujú na to, že sú skôr výnimkou, nie pravidlom. Tieto bunky, tvrdia autori, majú „čistú selektivitu“. Záleží im len na tom, či králik vidí šalát. Niektoré neuróny vykazujú „lineárnu zmiešanú selektivitu“, čo znamená, že ich reakcia predvídateľne závisí od súčtu viacerých vstupov (králik vidí šalát a cíti hlad). Neuróny, ktoré pridávajú najväčšiu flexibilitu merania, sú tie s „nelineárnou zmiešanou selektivitou“, ktorá dokáže zohľadniť viacero nezávislých premenných bez toho, aby ich bolo potrebné všetky sčítať. Namiesto toho dokáže zohľadniť celú sadu nezávislých podmienok (napr. je tam šalát, mám hlad, nepočujem jastraby, necítim kojoty, ale šalát je ďaleko a vidím dosť pevný plot).

Čo teda priťahuje neuróny k zameraniu sa na zmysluplné faktory, bez ohľadu na to, koľko ich je? Jedným z mechanizmov sú oscilácie, ktoré sa vyskytujú v mozgu, keď si mnoho neurónov udržiava svoju elektrickú aktivitu v rovnakom rytme. Táto koordinovaná aktivita umožňuje zdieľanie informácií, v podstate ich ladenie, ako napríklad skupina áut, ktoré všetky hrajú tú istú rozhlasovú stanicu (napríklad vysielanie jastraba krúžiaceho nad hlavou). Ďalším mechanizmom, ktorý autori zdôrazňujú, sú neuromodulátory. Sú to chemikálie, ktoré, keď dosiahnu receptory vo vnútri buniek, môžu tiež ovplyvniť ich aktivitu. Napríklad nárast acetylcholínu môže podobne naladiť neuróny s príslušnými receptormi na konkrétnu aktivitu alebo informáciu (možno pocit hladu).

„Tieto dva mechanizmy pravdepodobne spolupracujú na dynamickom vytváraní funkčných sietí,“ píšu autori.

Pochopenie zmiešanej selektivity je podľa nich kľúčové pre pochopenie kognície.

„Zmiešaná selektivita je všadeprítomná,“ uzatvárajú. „Je prítomná naprieč druhmi a slúži funkciám od vysokej úrovne kognície až po „automatické“ senzomotorické procesy, ako je rozpoznávanie objektov. Rozšírený výskyt zmiešanej selektivity zdôrazňuje jej zásadnú úlohu pri poskytovaní škálovateľného výpočtového výkonu mozgu potrebného pre komplexné myslenie a konanie.“

Podrobnosti o štúdii sú k dispozícii na stránke časopisu CELL.