Sila zmiešanej selektivity: Pochopenie funkcie mozgu a kognície

Náš mozog sa každý deň snaží optimalizovať kompromis: s mnohými udalosťami, ktoré sa dejú okolo nás, a zároveň s mnohými vnútornými impulzmi a spomienkami, musia byť naše myšlienky flexibilné, ale dostatočne sústredené, aby viedli všetko, 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 relevantné.

Autori tvrdia, že flexibilita pramení z kľúčovej vlastnosti pozorovanej v mnohých neurónoch: „zmiešaná selektivita“. Zatiaľ čo mnohí neurovedci si predtým mysleli, že každá bunka má iba jednu špecializovanú funkciu, novšie dôkazy ukázali, že veľa neurónov sa môže podieľať na rôznych výpočtových súboroch pracujúcich paralelne. Inými slovami, keď králik uvažuje o zahryznutí do šalátu v záhrade, jeden neurón môže byť zapojený nielen do posudzovania jeho hladu, ale aj do toho, že nad hlavou počuje jastraba alebo zacíti kojota na stromoch a určí, ako ďaleko je šalát..

Mozog nie je multitasker, povedal spoluautor Earl K. Miller, profesor na Picowerovom inštitúte pre učenie a pamäť na MIT a jeden z priekopníkov myšlienky zmiešanej selektivity, ale mnohé bunky túto schopnosť majú zapojiť sa do viacerých výpočtových procesov (v podstate „myšlienok“). V novom článku autori opisujú špecifické mechanizmy, ktoré mozog používa na získavanie neurónov na vykonávanie rôznych výpočtov a na zabezpečenie toho, aby tieto neuróny reprezentovali správny počet dimenzií komplexného problému.

Tieto neuróny vykonávajú mnoho funkcií. So zmiešanou selektivitou je možné mať reprezentatívny priestor, ktorý je taký zložitý, ako je potrebné, a nič viac. V tom spočíva flexibilita kognitívnych funkcií.“

Earl K. Miller, profesor na Picowerovom inštitúte pre štúdium učenia a pamäte na Massachusetts Institute of Technology

Spoluautor Kaye Tai, profesor na Salkovom inštitúte a Kalifornskej univerzite v San Diegu, povedal, že zmiešaná selektivita medzi neurónmi, najmä v mediálnom prefrontálnom kortexe, je kľúčom k aktivácii 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 našu flexibilitu, kognitívne schopnosti a kreativitu. Je to tajomstvo maximalizácie výpočtového výkonu, ktorý je v podstate základom inteligencie."

Pôvod nápadu

Myšlienka zmiešanej selektivity vznikla v roku 2000, keď Miller a jeho kolega John Duncan obhajovali prekvapivý výsledok výskumu kognitívnych funkcií v Millerovom laboratóriu. Keď zvieratá roztriedili obrázky do kategórií, zdalo sa, že asi 30 percent neurónov v prefrontálnom kortexe mozgu je aktivovaných. Skeptici, ktorí verili, že každý neurón má vyhradenú funkciu, sa posmievali myšlienke, že mozog by mohol venovať toľko buniek len jednej úlohe. Odpoveď Millera a Duncana bola, že bunky možno mali flexibilitu, aby sa mohli zúčastniť mnohých výpočtov. Schopnosť slúžiť v jednej mozgovej skupine tak, ako bola, nevylučovala ich schopnosť slúžiť mnohým ďalším.

Aké výhody 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 dodáva mozgu výkonnú výpočtovú flexibilitu. V podstate súbor neurónov so zmiešanou selektivitou môže pojať oveľa viac rozmerov informácií o úlohe ako populácia neurónov s invariantnými funkciami.

"Od našej počiatočnej práce sme dosiahli pokrok v chápaní teórie zmiešanej selektivity prostredníctvom klasických myšlienok strojového učenia," povedal Rigotti. "Na druhej strane, otázky dôležité pre experimentátorov o mechanizmoch, ktoré to robia na bunkovej úrovni, boli relatívne málo preskúmané. Cieľom tejto spolupráce a tohto nového dokumentu bolo vyplniť túto medzeru."

V novom článku autori predstavujú myš, ktorá sa rozhoduje, či zje bobule. Môže voňať lahodne (to je jeden rozmer). Môže byť jedovatý (to je ďalšia vec). Ďalší rozmer alebo dva problému môžu vzniknúť vo forme sociálneho signálu. Ak myš cíti bobuľu v dychu inej myši, potom je bobule pravdepodobne jedlá (v závislosti od zjavného zdravia druhej myši). Neurónový súbor so zmiešanou selektivitou bude môcť toto všetko integrovať.

Prilákanie neurónov

Hoci zmiešanú selektivitu podporujú bohaté dôkazy – pozorovala sa v celej kôre a v iných oblastiach mozgu, ako je hipokampus a amygdala – zostávajú otvorené otázky. Napríklad, ako sa neuróny získavajú na úlohy a ako neuróny, ktoré sú také „širokomyslené“, zostávajú naladené len na to, čo je pre misiu skutočne dôležité?

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

Samozrejme, niektoré neuróny sú špecializované na konkrétny vstup, ale autori poznamenávajú, že sú výnimkou, nie pravidlom. Autori tvrdia, že tieto bunky 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 môže zodpovedať za viacero nezávislých premenných bez toho, aby bolo potrebné ich sčítať. Namiesto toho môžu brať do úvahy celý rad nezávislých podmienok (napríklad je tam šalát, som hladný, nepočujem žiadne jastraby, necítim kojoty, ale šalát je ďaleko a môžem vidieť pomerne silný plot).

Čo teda priťahuje neuróny, aby sa zamerali na významné faktory, bez ohľadu na to, koľko ich je? Jedným z mechanizmov je oscilácia, ku ktorej dochádza v mozgu, keď mnoho neurónov udržiava svoju elektrickú aktivitu v rovnakom rytme. Táto koordinovaná činnosť umožňuje zdieľanie informácií, v podstate ich ladí spolu ako skupina áut, ktoré hrajú tú istú rozhlasovú stanicu (možno vysielanie jastraba krúžijúceho nad hlavou). Ďalším mechanizmom, ktorý autori zdôrazňujú, sú neuromodulátory. Sú to chemikálie, ktoré, keď sa dostanú k receptorom vo vnútri buniek, môžu tiež ovplyvniť ich aktivitu. Napríklad prudký nárast acetylcholínu môže podobne pripraviť neuróny zodpovedajúcimi receptormi pre špecifickú aktivitu alebo informáciu (možno pocit hladu).

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

Pochopenie zmiešanej selektivity, pokračujú, je rozhodujúce pre pochopenie kognície.

„Zmiešaná selektivita je všadeprítomná,“ uzatvárajú. "Je prítomný v rôznych druhoch a slúži rôznym funkciám od kognície na vysokej úrovni až po "automatické" senzomotorické procesy, ako je rozpoznávanie objektov. Rozsiahly výskyt zmiešanej selektivity zdôrazňuje jej základnú úlohu pri poskytovaní škálovateľného výpočtového výkonu mozgu potrebného na komplexné myšlienky a činy." p>

Prečítajte si viac o štúdii v časopise CELL