Sekalaisen selektiivisyyden voima: aivojen toiminnan ja kognition ymmärtäminen

Joka päivä aivomme pyrkivät optimoimaan kompromissin: ympärillämme tapahtuu monia tapahtumia ja samanaikaisesti monia sisäisiä ajatuksia ja muistoja, joten ajatustemme on oltava joustavia, mutta tarpeeksi keskittyneitä ohjatakseen kaikkea, mitä tarvitsemme tehdä. Neuron-lehden uudessa artikkelissa neurotieteilijöiden ryhmä kuvailee, kuinka aivot saavuttavat kognitiivisen kyvyn integroida kaikki asiaankuuluvat tiedot ilman, että ne hukkuvat epäolennaiseen.

Kirjoittajat väittävät, että joustavuus johtuu monissa hermosoluissa havaitusta keskeisestä ominaisuudesta: "sekoitetuista selektiivisyydestä". Vaikka monet neurotieteilijät aiemmin luulivat, että jokaisella solulla on vain yksi erikoistoiminto, uudemmat todisteet ovat osoittaneet, että monet neuronit voivat osallistua erilaisiin rinnakkain toimiviin laskennallisiin ryhmiin. Toisin sanoen, kun kani harkitsee salaatin napostelua puutarhassa, yksi hermosolu voi olla osallisena paitsi sen nälän arvioinnissa, myös haukan kuulemisessa pään yläpuolella tai kojootin hajussa puissa ja sen määrittämisessä, kuinka kaukana salaatti on.. p>

Aivot eivät ole moniajo, sanoi toinen kirjoittaja Earl K. Miller, MIT:n Picower Institute for Learning and Memory -instituutin professori ja yksi sekaselektiivisyyden pioneereista, mutta monilla soluilla on kyky. Osallistua useisiin laskennallisiin prosesseihin (pääasiassa "ajatuksiin"). Uudessa artikkelissa kirjoittajat kuvaavat erityisiä mekanismeja, joita aivot käyttävät hermosolujen värväämiseen suorittamaan erilaisia laskelmia ja varmistamaan, että nämä neuronit edustavat oikeaa määrää monimutkaisen ongelman ulottuvuuksia.

Nämä neuronit suorittavat monia toimintoja. Sekaisella selektiivisyydellä on mahdollista saada edustava tila, joka on niin monimutkainen kuin sen tarvitsee olla eikä enempää. Tässä piilee kognitiivisten toimintojen joustavuus."

Earl K. Miller, professori Picower Institute for the Study of Learning and Memory Massachusetts Institute of Technologyssa

Yhteiskirjoittaja Kaye Tai, professori Salk Institutesta ja Kalifornian yliopistosta San Diegosta, sanoi, että hermosolujen sekaselektiivisyys, erityisesti mediaalisessa prefrontaalisessa aivokuoressa, on avain monien henkisten kykyjen mahdollistamiseen.

"MPFC on kuin kuiskaus, joka edustaa niin paljon tietoa erittäin joustavien ja dynaamisten kokoonpanojen kautta", Tai sanoi. "Sekoitettu selektiivisyys on ominaisuus, joka antaa meille joustavuutta, kognitiivista kykyämme ja luovuuttamme. Se on salaisuus maksimoida prosessointiteho, joka on pohjimmiltaan älykkyyden perusta."

Idean alkuperä

Ajatus sekaselektiivisyydestä sai alkunsa vuonna 2000, kun Miller ja hänen kollegansa John Duncan puolustivat yllättävää tulosta Millerin laboratoriossa kognitiivisten toimintojen tutkimuksesta. Kun eläimet lajittelivat kuvat luokkiin, noin 30 prosenttia aivojen prefrontaalisen aivokuoren neuroneista näytti aktivoituneen. Skeptikot, jotka uskoivat, että jokaisella neuronilla oli oma tehtävänsä, pilkkasivat ajatusta, että aivot voisivat omistaa niin monta solua vain yhteen tehtävään. Millerin ja Duncanin vastaus oli, että kenties soluilla oli joustavuutta osallistua moniin laskelmiin. Kyky palvella yhdessä aivoryhmässä sellaisenaan ei estänyt heidän kykyään palvella monia muita.

Mutta mitä etuja sekaselektiivisyys tuo? Vuonna 2013 Miller teki yhteistyötä kahden uuden artikkelin kirjoittajan, Mattia Rigottin IBM Researchin ja Stefano Fusin kanssa Columbia Universitystä, osoittaakseen, kuinka sekoitettu selektiivisyys antaa aivoille tehokkaan laskennallisen joustavuuden. Pohjimmiltaan sekalaisen selektiivisyyden omaavien neuronien joukkoon mahtuu paljon enemmän tehtäväinformaation ulottuvuuksia kuin muuttumattomien toimintojen omaavien neuronien populaatioon.

"Alkutyöstämme lähtien olemme edistyneet sekaselektiivisyyden teorian ymmärtämisessä klassisten koneoppimisideoiden linssin kautta", Rigotti sanoi. "Toisaalta kokeilejille tärkeitä kysymyksiä mekanismeista, jotka tekevät tämän solutasolla, on tutkittu suhteellisen vähän. Tämän yhteistyön ja tämän uuden artikkelin tarkoituksena oli täyttää tämä aukko."

Uudessa artikkelissa kirjoittajat esittelevät hiiren, joka päättää syödäkö marjan. Hän voi tuoksua herkulliselta (se on yksi ulottuvuus). Se voi olla myrkyllistä (se on toinen asia). Ongelman toinen ulottuvuus tai kaksi voi ilmaantua sosiaalisen signaalin muodossa. Jos hiiri haistaa marjan toisen hiiren hengityksessä, marja on todennäköisesti syötävä (riippuen toisen hiiren näennäisestä terveydestä). Sekalaisen selektiivisyyden omaava hermokokonaisuus pystyy integroimaan kaiken tämän.

Heuronien houkutteleminen

Vaikka sekaselektiivisyyttä tukee runsaasti todisteita – sitä on havaittu koko aivokuoressa ja muilla aivoalueilla, kuten hippokampuksessa ja amygdalassa – avoimia kysymyksiä on edelleen. Miten esimerkiksi hermosolut rekrytoidaan tehtäviin ja kuinka niin "avarakatseiset" neuronit pysyvät kuulolla vain siitä, mikä on todella tärkeää tehtävän kannalta?

Uudessa tutkimuksessa tutkijat, kuten Marcus Benna UC San Diegosta ja Felix Taschbach Salk Institutesta, tunnistavat sekaselektiivisyyden muodot, joita tutkijat havaitsivat ja väittävät, että kun värähtelyt (tunnetaan myös "aivoaaltoina") ja neuromodulaattorit ( kemialliset aineet, kuten serotoniini tai dopamiini, jotka vaikuttavat hermoston toimintaan) houkuttelevat hermosoluja laskennallisiin ryhmiin, ne auttavat myös "suodattamaan" sen, mikä on tärkeää tähän tarkoitukseen.

Tietenkin jotkut neuronit ovat erikoistuneet tiettyyn syötteeseen, mutta kirjoittajat huomauttavat, että ne ovat poikkeus, eivät sääntö. Kirjoittajat sanovat, että näillä soluilla on "puhdasta selektiivisyyttä". He välittävät vain, jos kani näkee salaatin. Joillakin hermosoluilla on "lineaarinen sekoitettu selektiivisyys", mikä tarkoittaa, että niiden vaste riippuu ennustettavasti useiden syötteiden summasta (kani näkee salaatin ja tuntee nälkää). Eniten mittausjoustavuutta lisäävät neuronit, joilla on "epälineaarinen sekoitettu selektiivisyys", jotka voivat ottaa huomioon useita riippumattomia muuttujia ilman, että niitä tarvitsee summata. Sen sijaan he voivat ottaa huomioon kokonaisen joukon itsenäisiä olosuhteita (esim. Salaattia on, minulla on nälkä, en kuule haukkaa, en haista kojootteja, mutta salaatti on kaukana ja voin nähdä melko vahva aita).

Joten, mikä houkuttelee neuroneja keskittymään merkittäviin tekijöihin riippumatta siitä, kuinka monta niitä on? Yksi mekanismi on värähtely, joka tapahtuu aivoissa, kun monet neuronit ylläpitävät sähköistä aktiivisuuttaan samassa rytmissä. Tämä koordinoitu toiminta mahdollistaa tiedon jakamisen, lähinnä virittäen ne yhteen kuin ryhmä autoja, jotka kaikki soittavat samaa radioasemaa (ehkä lähetys haukosta, joka kiertää yläpuolella). Toinen mekanismi, jonka kirjoittajat korostavat, ovat neuromodulaattorit. Nämä ovat kemikaaleja, jotka saavuttaessaan solujen sisällä olevat reseptorit voivat myös vaikuttaa niiden toimintaan. Esimerkiksi asetyylikoliinin aalto voi samalla tavalla virittää neuronit vastaaviin reseptoreihin tietylle toiminnalle tai tiedolle (ehkä nälän tunteen).

"Nämä kaksi mekanismia toimivat todennäköisesti yhdessä muodostaen dynaamisesti toimivia verkkoja", kirjoittajat kirjoittavat.

Sekalaisen selektiivisyyden ymmärtäminen on edelleen ratkaisevan tärkeää kognition ymmärtämisen kannalta.

"Sekoitettu selektiivisyys on kaikkialla", he päättelevät. "Se on läsnä eri lajeissa ja palvelee erilaisia toimintoja korkean tason kognitiosta "automaattisiin" sensorimotorisiin prosesseihin, kuten esineiden tunnistamiseen. Sekaselektiivisyyden laaja esiintyminen korostaa sen perustavaa laatua olevaa roolia tarjoamalla aivoille skaalautuvaa prosessointitehoa, jota tarvitaan monimutkaisiin tehtäviin. Ajatuksia ja tekoja." p>

Lue lisää tutkimuksesta CELL-lehdestä