Síla smíšené selektivity: Pochopení funkce mozku a kognice

Náš mozek se každý den snaží optimalizovat kompromis: s mnoha událostmi, které se kolem nás dějí, a zároveň s mnoha vnitřními pohnutkami a vzpomínkami, musí být naše myšlenky flexibilní, ale dostatečně soustředěné, aby vedly vše, co potřebujeme udělat. V novém článku v časopise Neuron tým neurovědců popisuje, jak mozek dosahuje kognitivní schopnosti integrovat všechny relevantní informace, aniž by byl zahlcen tím, co není relevantní.

Autoři tvrdí, že flexibilita pramení z klíčové vlastnosti pozorované u mnoha neuronů: „smíšená selektivita“. Zatímco mnoho neurovědců si dříve myslelo, že každá buňka má pouze jednu specializovanou funkci, novější důkazy ukázaly, že mnoho neuronů se může účastnit různých výpočetních souborů pracujících paralelně. Jinými slovy, když králík uvažuje o okusování hlávkového salátu na zahradě, jeden neuron se může podílet nejen na posuzování jeho hladu, ale také na tom, že slyší jestřába nad hlavou nebo cítí kojota na stromech a určuje, jak daleko je salát..

Mozek není multitasker, řekl spoluautor Earl K. Miller, profesor na Picowerově institutu pro učení a paměť na MIT a jeden z průkopníků myšlenky smíšené selektivity, ale mnoho buněk tuto schopnost má zapojit se do více výpočetních procesů (v podstatě „myšlenek“). V novém článku autoři popisují specifické mechanismy, které mozek používá k získávání neuronů k provádění různých výpočtů a k zajištění toho, aby tyto neurony reprezentovaly správný počet dimenzí komplexního problému.

Tyto neurony plní mnoho funkcí. Se smíšenou selektivitou je možné mít reprezentativní prostor, který je tak složitý, jak je třeba, a nic víc. V tom spočívá flexibilita kognitivních funkcí.“

Earl K. Miller, profesor na Picowerově institutu pro studium učení a paměti na Massachusetts Institute of Technology

Spoluautor Kaye Tai, profesor na Salk Institute a University of California, San Diego, řekl, že smíšená selektivita mezi neurony, zejména v mediálním prefrontálním kortexu, je klíčem k umožnění mnoha mentálních schopností.

"MPFC je jako šepot, který představuje tolik informací prostřednictvím vysoce flexibilních a dynamických souborů," řekl Tai. "Smíšená selektivita je vlastnost, která nám dává flexibilitu, kognitivní schopnosti a kreativitu. Je to tajemství maximalizace výpočetního výkonu, který je v podstatě základem inteligence."

Původ myšlenky

Myšlenka smíšené selektivity vznikla v roce 2000, kdy Miller a jeho kolega John Duncan obhajovali překvapivý výsledek výzkumu kognitivních funkcí v Millerově laboratoři. Když zvířata roztřídila obrázky do kategorií, zdálo se, že je aktivováno asi 30 procent neuronů v prefrontální kůře mozku. Skeptici, kteří věřili, že každý neuron má vyhrazenou funkci, se posmívali myšlence, že mozek může věnovat tolik buněk pouze jednomu úkolu. Millerovou a Duncanovou odpovědí bylo, že buňky možná mají flexibilitu, aby se mohly účastnit mnoha výpočtů. Schopnost sloužit v jedné mozkové skupině, jak tomu bylo, nevylučovala jejich schopnost sloužit mnoha dalším.

Jaké výhody ale smíšená selektivita přináší? V roce 2013 se Miller spojil se dvěma spoluautory nového článku, Mattia Rigotti z IBM Research a Stefano Fusi z Kolumbijské univerzity, aby ukázali, jak smíšená selektivita dodává mozku výkonnou výpočetní flexibilitu. V podstatě může soubor neuronů se smíšenou selektivitou pojmout mnohem více dimenzí informací o úkolu než populace neuronů s neměnnými funkcemi.

"Od naší počáteční práce jsme pokročili v chápání teorie smíšené selektivity optikou klasických myšlenek strojového učení," řekl Rigotti. "Na druhou stranu otázky důležité pro experimentátory týkající se mechanismů, které to dělají na buněčné úrovni, byly poměrně málo prozkoumány. Tato spolupráce a tento nový dokument byly zaměřeny na zaplnění této mezery."

V novém článku autoři představují myš, která se rozhoduje, zda jíst bobule. Může lahodně vonět (to je jeden rozměr). Může být jedovatý (to je další věc). Další dimenze nebo dvě problému mohou nastat ve formě sociálního signálu. Pokud myš cítí bobule na dechu jiné myši, pak je bobule pravděpodobně jedlá (v závislosti na zjevném zdraví druhé myši). To vše bude schopen integrovat neurální soubor se smíšenou selektivitou.

Přitahování neuronů

Ačkoli smíšená selektivita je podporována bohatými důkazy – byla pozorována v celé kůře a v jiných oblastech mozku, jako je hippocampus a amygdala – zůstávají otevřené otázky. Například, jak se neurony získávají k plnění úkolů a jak neurony, které jsou tak „širokomyslné“, zůstávají naladěny pouze na to, co je pro misi skutečně důležité?

V nové studii vědci včetně Marcuse Benny z UC San Diego a Felixe Taschbacha ze Salk Institute identifikují formy smíšené selektivity, které výzkumníci pozorovali, a tvrdí, že když oscilace (také známé jako „mozkové vlny“) a neuromodulátory ( chemické látky jako serotonin nebo dopamin ovlivňující nervové funkce) přitahují neurony do výpočetních celků, pomáhají jim také „filtrovat“ to, co je pro tento účel důležité.

Některé neurony jsou samozřejmě specializované pro konkrétní vstup, ale autoři upozorňují, že jde o výjimku, nikoli pravidlo. Autoři tvrdí, že tyto buňky mají „čistou selektivitu“. Jde jim jen o to, jestli králík vidí salát. Některé neurony vykazují „lineární smíšenou selektivitu“, což znamená, že jejich reakce závisí předvídatelně na součtu více vstupů (králík vidí salát a cítí hlad). Neurony, které přidávají největší flexibilitu měření, jsou ty s „nelineární smíšenou selektivitou“, které mohou odpovídat za více nezávislých proměnných, aniž by bylo nutné je sčítat. Místo toho mohou vzít v úvahu celou sadu nezávislých podmínek (např. Je salát, mám hlad, neslyším žádné jestřáby, necítím kojoty, ale salát je daleko a můžu viz poměrně silný plot).

Co tedy přitahuje neurony, aby se zaměřily na významné faktory, bez ohledu na to, kolik jich je? Jedním z mechanismů je oscilace, ke které dochází v mozku, když mnoho neuronů udržuje svou elektrickou aktivitu ve stejném rytmu. Tato koordinovaná aktivita umožňuje sdílení informací, v podstatě je ladí dohromady jako skupina aut, která všechna hrají stejnou rozhlasovou stanici (možná vysílání jestřába kroužícího nad hlavou). Dalším mechanismem, který autoři vyzdvihují, jsou neuromodulátory. Jsou to chemikálie, které, když se dostanou k receptorům uvnitř buněk, mohou také ovlivnit jejich aktivitu. Například prudký nárůst acetylcholinu může podobně připravit neurony s odpovídajícími receptory pro určitou aktivitu nebo informaci (možná pocit hladu).

„Tyto dva mechanismy pravděpodobně spolupracují na dynamickém vytváření funkčních sítí,“ píší autoři.

Pochopení smíšené selektivity, pokračují, je rozhodující pro pochopení poznání.

„Smíšená selektivita je všudypřítomná,“ uzavírají. "Je přítomen napříč druhy a slouží řadě funkcí od kognice na vysoké úrovni až po "automatické" senzomotorické procesy, jako je rozpoznávání objektů. Rozšířený výskyt smíšené selektivity zdůrazňuje její základní roli při poskytování škálovatelného výpočetního výkonu potřebného pro komplexní myšlenky a činy." p>

Přečtěte si více o studii v časopisu CELL