Моћ мешовите селективности: Разумевање функције мозга и когниције

Свакодневно наш мозак настоји да оптимизује компромис: са многим догађајима који се дешавају око нас, а у исто време са много унутрашњих покрета и сећања, наше мисли морају бити флексибилне, али довољно фокусиране да воде све што треба да урадимо. У новом раду у часопису Неурон, тим неуронаучника описује како мозак постиже когнитивну способност да интегрише све релевантне информације без да буде преоптерећен оним што није релевантно.

Аутори тврде да флексибилност произилази из кључне особине уочене код многих неурона: „мешовите селективности“. Док су многи неуронаучници раније мислили да свака ћелија има само једну специјализовану функцију, новији докази су показали да многи неурони могу учествовати у различитим рачунарским ансамблима који раде паралелно. Другим речима, када зец размишља да грицка зелену салату у башти, један неурон може бити укључен не само у процењивање његове глади, већ и у то да чује сокола изнад главе или да осети мирис којота на дрвећу и да одреди колико је зелена салата удаљена..

Мозак није особа која обавља више задатака, рекао је коаутор Ерл К. Милер, професор на Пицовер институту за учење и памћење на МИТ-у и један од пионира идеје мешовите селективности, али многе ћелије имају способност да се укључи у вишеструке рачунске процесе (у суштини, „мисли“). У новом раду, аутори описују специфичне механизме које мозак користи да регрутује неуроне за обављање различитих прорачуна и да осигура да ти неурони представљају тачан број димензија сложеног проблема.

Ови неурони обављају многе функције. Са мешовитом селективношћу могуће је имати репрезентативан простор који је онолико сложен колико треба и не више. Ту лежи флексибилност когнитивне функције."

Еарл К. Миллер, професор на Пицовер институту за проучавање учења и памћења на Масачусетском институту за технологију

Коаутор Кеј Тај, професор на Институту Салк и Универзитету Калифорније у Сан Дијегу, рекла је да је мешана селективност међу неуронима, посебно у медијалном префронталном кортексу, кључна за омогућавање многих менталних способности.

„МПФЦ је попут шапата који представља толико информација кроз веома флексибилне и динамичне групе“, рекао је Таи. „Мешовита селективност је својство које нам даје нашу флексибилност, когнитивне способности и креативност. То је тајна максимизације процесорске моћи, која је у суштини основа интелигенције.“

Порекло идеје

Идеја мешовите селективности настала је 2000. Године, када су Милер и његов колега Џон Данкан бранили изненађујући резултат истраживања когнитивних функција у Милеровој лабораторији. Када су животиње сортирале слике у категорије, чинило се да је активирано око 30 процената неурона у префронталном кортексу мозга. Скептици који су веровали да сваки неурон има наменску функцију, исмевали су се идеји да мозак може да посвети толико ћелија само једном задатку. Милер и Данканов одговор је био да можда ћелије имају флексибилност да учествују у многим прорачунима. Способност да служе у једној групи мозга, каква је била, није искључивала њихову способност да служе многим другим.

Али какве предности доноси мешана селективност? Године 2013. Милер се удружио са два коаутора новог рада, Матијом Риготијем из ИБМ Ресеарцх-а и Стефаном Фусијем са Универзитета Колумбија, како би показао како мешовита селективност даје мозгу моћну флексибилност рачунара. У суштини, ансамбл неурона мешовите селективности може да прими много више димензија информација о задатку него популација неурона са непроменљивим функцијама.

„Од нашег почетног рада, напредовали смо у разумевању теорије мешовите селективности кроз сочиво класичних идеја машинског учења“, рекао је Риготи. "С друге стране, питања важна експерименталистима о механизмима који то раде на ћелијском нивоу релативно су мало истражена. Ова сарадња и овај нови рад имали су за циљ да попуне ову празнину."

У новом раду аутори представљају миша који одлучује да ли ће јести бобицу. Можда укусно мирише (то је једна димензија). Може бити отровно (то је друга ствар). Још једна или две димензије проблема могу се појавити у облику друштвеног сигнала. Ако миш осети мирис бобице на даху другог миша, онда је бобица вероватно јестива (у зависности од очигледног здравља другог миша). Неурални ансамбл са мешовитом селективношћу ће све ово моћи да интегрише.

Привлачење неурона

Иако је мешана селективност подржана бројним доказима — примећена је у целом кортексу и у другим регионима мозга као што су хипокампус и амигдала — остају отворена питања. На пример, како се неурони регрутују за задатке, и како неурони који су тако „широкоумни“ остају подешени само на оно што је заиста важно за мисију?

У новој студији, истраживачи, укључујући Маркуса Бену са УЦ Сан Дијега и Феликса Ташбаха са Института Салк, идентификују облике мешовите селективности које су истраживачи приметили и тврде да када осцилације (такође познате као „мождани таласи“) и неуромодулатори ( хемијске супстанце као што су серотонин или допамин који утичу на нервне функције) привлаче неуроне у рачунарске ансамбле, такође им помажу да „филтрирају“ оно што је важно за ову сврху.

Наравно, неки неурони су специјализовани за одређени улаз, али аутори примећују да су они изузетак, а не правило. Аутори кажу да ове ћелије имају "чисту селективност". Брине их само да ли зец види зелену салату. Неки неурони показују "линеарну мешовиту селективност", што значи да њихов одговор зависи предвидљиво од збира вишеструких инпута (зец види зелену салату и осећа се гладно). Неурони који дају највећу флексибилност мерења су они са „нелинеарном мешовитом селективношћу“, која може да узме у обзир више независних варијабли без потребе за њиховим сумирањем. Уместо тога, они могу да узму у обзир читав низ независних услова (на пример, има зелене салате, гладан сам, не чујем сокола, не осећам мирис којота, али зелена салата је далеко и могу види прилично јаку ограду).

Дакле, шта привлачи неуроне да се фокусирају на значајне факторе, без обзира колико их има? Један механизам је осцилација, која се јавља у мозгу када многи неурони одржавају своју електричну активност у истом ритму. Ова координирана активност омогућава дељење информација, у суштини их подешавајући заједно као група аутомобила који сви пуштају исту радио станицу (можда емитовање сокола који кружи изнад главе). Други механизам који аутори истичу су неуромодулатори. То су хемикалије које, када дођу до рецептора унутар ћелија, такође могу утицати на њихову активност. На пример, налет ацетилхолина може на сличан начин да активира неуроне са одговарајућим рецепторима за одређену активност или информацију (можда осећај глади).

„Ова два механизма вероватно раде заједно да би динамички формирали функционалне мреже“, пишу аутори.

Разумевање мешовите селективности, настављају, кључно је за разумевање когниције.

„Мешовита селективност је свеприсутна“, закључују. "Присутан је међу врстама и служи разним функцијама од когниције на високом нивоу до 'аутоматских' сензомоторних процеса као што је препознавање објеката. Широко распрострањена појава мешовите селективности наглашава њену фундаменталну улогу у обезбеђивању мозгу скалабилне процесорске снаге потребне за сложене мисли и дела."

Прочитајте више о студији у часопису ЦЕЛЛ