Sekalaisen selektiivisyyden voima: aivotoiminnan ja kognition ymmärtäminen

Aivomme pyrkivät joka päivä optimoimaan kompromisseja: ympärillämme tapahtuu niin paljon tapahtumia ja samaan aikaan on niin paljon sisäisiä kehotuksia ja muistoja, että ajatustemme on oltava joustavia mutta riittävän keskittyneitä ohjatakseen kaikkea, mitä meidän on tehtävä. Neuron-lehdessä julkaistussa uudessa artikkelissa neurotieteilijäryhmä kuvaa, kuinka aivot saavuttavat kognitiivisen kyvyn integroida kaikki olennaiset tiedot ilman, että ne hukkuvat turhiin asioihin.

Kirjoittajat väittävät, että tämä joustavuus johtuu monissa neuroneissa havaitusta keskeisestä ominaisuudesta: "sekoitetusta selektiivisyydestä". Vaikka monet neurotieteilijät aiemmin ajattelivat, että jokaisella solulla on vain yksi erikoistunut toiminto, uudemmat todisteet ovat osoittaneet, että monet neuronit voivat osallistua erilaisiin rinnakkaisiin laskennallisiin kokonaisuuksiin. Toisin sanoen, kun kani harkitsee salaatin nakertelemista puutarhassa, yksi neuroni saattaa olla mukana paitsi nälän arvioinnissa, myös haukan kuulemisessa yläpuolella tai kojootin haistamisessa puissa ja salaattietäisyyden arvioimisessa.

Aivot eivät suorita useita asioita samanaikaisesti, sanoo artikkelin toinen kirjoittaja Earl K. Miller, joka on professori MIT:n Picower-instituutissa oppimisen ja muistin tutkimukseen ja yksi sekoitetun selektiivisyyden ajatuksen edelläkävijöistä, mutta monilla soluilla on kyky suorittaa useita laskutoimituksia (eli "ajatella"). Uudessa artikkelissa kirjoittajat kuvaavat erityisiä mekanismeja, joita aivot käyttävät rekrytoidakseen neuroneja eri laskutoimituksiin ja varmistaakseen, että nämä neuronit edustavat oikeaa määrää monimutkaisen tehtävän ulottuvuuksia.

Nämä neuronit suorittavat monia toimintoja. Sekoitetun selektiivisyyden avulla voit saada aikaan representaatiotilan, joka on juuri niin monimutkainen kuin tarvitset, eikä enempää. Siinä piilee kognitiivisten toimintojen joustavuus."

Earl K. Miller, professori, Picower-oppimisen ja muistin tutkimuslaitos, Massachusettsin teknillinen instituutti

Yhteiskirjoittaja Kay Tai, Salk-instituutin ja Kalifornian yliopiston San Diegon professori, sanoi, että hermosolujen, erityisesti mediaalisen prefrontaalisen aivokuoren, sekoitettu selektiivisyys on avainasemassa monien henkisten kykyjen mahdollistamisessa.

"MPFC on kuin kuiskaus, joka edustaa valtavaa määrää tietoa erittäin joustavien ja dynaamisten kokonaisuuksien kautta", Tai sanoi. "Sekoitettu selektiivisyys on ominaisuus, joka antaa meille joustavuutta, kognitiivisia kykyjä ja luovuutta. Se on salaisuus laskentatehon maksimointiin, joka on pohjimmiltaan älykkyyden perusta."

Idean alkuperä

Sekalaisen selektiivisyyden ajatus sai alkunsa vuonna 2000, kun Miller ja hänen kollegansa John Duncan puolustivat yllättävää tulosta Millerin laboratoriossa tehdystä kognitiivisten toimintojen tutkimuksesta. Kun eläimet lajittelivat kuvia luokkiin, noin 30 prosenttia aivojen etuotsalohkon neuroneista näytti rekrytoituvan. Skeptikot, jotka uskoivat, että jokaisella neuronilla oli oma toimintonsa, pilkkasivat ajatusta, että aivot voisivat omistaa niin monta solua vain yhteen tehtävään. Millerin ja Duncanin vastaus oli, että soluilla oli kenties joustavuutta osallistua moniin laskutoimituksiin. Kyky palvella yhtä aivoryhmää, kuten ne toimivat, ei estänyt niiden kykyä palvella monia muita.

Mutta mitä hyötyä sekaselektiivisyys tuo? Vuonna 2013 Miller ryhtyi yhteistyöhön uuden artikkelin kahden kirjoittajan, IBM Researchin Mattia Rigottin ja Columbian yliopiston Stefano Fusin, kanssa osoittaakseen, kuinka sekaselektiivisyys antaa aivoille tehokkaan laskennallisen joustavuuden. Pohjimmiltaan sekaselektiivisyyttä omaavien neuronien kokonaisuus voi sisältää paljon enemmän tehtävän tietoja kuin kiinteätoimintoisten neuronien populaatio.

"Alkuperäisen työmme jälkeen olemme edistyneet sekaselektiivisyyden teorian ymmärtämisessä klassisen koneoppimisen ideoiden linssin läpi", Rigotti sanoi. "Toisaalta kokeellisille tutkijoille tärkeitä kysymyksiä solutasolla tätä toteuttavista mekanismeista on tutkittu suhteellisen vähän. Tämä yhteistyö ja tämä uusi tutkimus pyrkivät täyttämään tämän aukon."

Uudessa artikkelissa kirjoittajat kuvittelevat hiiren päättävän, syökö se marjan. Se saattaa tuoksua herkulliselta (se on yksi ulottuvuus). Se saattaa olla myrkyllinen (se on toinen). Ongelman yksi tai kaksi muuta ulottuvuutta voivat olla sosiaalinen vihje. Jos hiiri haistaa marjan toisen hiiren hengityksestä, marja on todennäköisesti syötävä (riippuen toisen hiiren näennäisestä terveydentilasta). Sekalaisen selektiivisyyden omaava hermostollinen kokonaisuus voisi integroida kaiken tämän.

Neuronien houkutteleminen

Vaikka sekoittunutta selektiivisyyttä tukee runsas näyttö – sitä on havaittu koko aivokuoressa ja muilla aivoalueilla, kuten hippokampuksessa ja amygdalassa – avoimia kysymyksiä on edelleen. Esimerkiksi miten neuronit rekrytoidaan tehtäviin ja miten niin ennakkoluulottomasti toimivat neuronit pysyvät virittyneinä vain siihen, mikä on todella tehtäväkriittistä?

Uudessa tutkimuksessa tutkijat, mukaan lukien UC San Diegon Marcus Benna ja Salk-instituutin Felix Taschbach, tunnistavat tutkijoiden havaitsemat sekaselektiivisyyden muodot ja väittävät, että kun värähtelyt (tunnetaan myös nimellä "aivoaallot") ja neuromodulaattorit (hermoston toimintaan vaikuttavat kemikaalit, kuten serotoniini tai dopamiini) rekrytoivat neuroneja laskennallisiin kokonaisuuksiin, ne auttavat niitä myös "suodattamaan" sen kannalta tärkeät asiat.

Jotkut neuronit toki erikoistuvat tiettyyn syötteeseen, mutta kirjoittajat huomauttavat, että ne ovat poikkeus, eivät sääntö. Kirjoittajien mukaan näillä soluilla on "puhdas selektiivisyys". Ne välittävät vain, näkeekö kani salaatin. Joillakin neuroneilla on "lineaarinen sekaselektiivisyys", mikä tarkoittaa, että niiden vaste riippuu ennustettavasti useiden syötteiden summasta (kani näkee salaatin ja tuntee olonsa nälkäiseksi). Eniten mittausjoustavuutta lisäävät neuronit ovat ne, joilla on "epälineaarinen sekaselektiivisyys", jotka voivat ottaa huomioon useita riippumattomia muuttujia ilman, että niitä kaikkia tarvitsee laskea yhteen. Sen sijaan ne voivat ottaa huomioon kokonaisen joukon riippumattomia ehtoja (esim. on salaattia, olen nälkäinen, en kuule haukkoja, en haista kojootteja, mutta salaatti on kaukana, ja näen melko tukevan aidan).

Mikä sitten houkuttelee hermosoluja keskittymään merkityksellisiin tekijöihin, olipa niitä kuinka monta tahansa? Yksi mekanismi on värähtelyt, joita aivoissa tapahtuu, kun monet hermosolut ylläpitävät sähköistä aktiivisuuttaan samassa rytmissä. Tämä koordinoitu toiminta mahdollistaa tiedon jakamisen, pohjimmiltaan virittämällä ne yhteen, kuten joukko autoja, jotka kaikki soittavat samaa radioasemaa (ehkä lähetys haukasta, joka kiertelee yläpuolella). Toinen mekanismi, jota kirjoittajat korostavat, ovat neuromodulaattorit. Nämä ovat kemikaaleja, jotka solujen sisällä oleviin reseptoreihin saavuttaessaan voivat myös vaikuttaa niiden aktiivisuuteen. Esimerkiksi asetyylikoliinin lisääntyminen voi samalla tavalla virittää hermosoluja, joilla on sopivat reseptorit, tiettyyn aktiviteettiin tai tietoon (ehkä nälän tunteeseen).

"Nämä kaksi mekanismia todennäköisesti toimivat yhdessä muodostaen dynaamisesti toiminnallisia verkostoja", kirjoittajat kirjoittavat.

Sekalaisen selektiivisyyden ymmärtäminen, he jatkavat, on ratkaisevan tärkeää kognition ymmärtämisen kannalta.

”Sekaselektiivisyyttä esiintyy kaikkialla”, he päättelevät. ”Sitä esiintyy kaikilla lajeilla ja se palvelee toimintoja korkean tason kognitiosta ’automaattisiin’ sensomotorisiin prosesseihin, kuten esineiden tunnistamiseen. Sekaselektiivisyyden laajalle levinnyt esiintyvyys korostaa sen perustavanlaatuista roolia aivojen skaalautuvan prosessointitehon tarjoamisessa monimutkaiseen ajatteluun ja toimintaan.”

Tutkimuksen tiedot löytyvät CELL-lehden sivulta.