Síla smíšené selektivity: porozumění mozkovým funkcím a poznávání

Náš mozek se každý den snaží o optimalizaci kompromisu: s tolika událostmi, které se kolem nás dějí, a zároveň s tolika vnitřními nutkáními a vzpomínkami, musí být naše myšlenky flexibilní, ale dostatečně soustředěné, aby nás vedly ke všemu, co musíme 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 na něm nezáleží.

Autoři tvrdí, že tato flexibilita pramení z klíčové vlastnosti pozorované u mnoha neuronů: „smíšené selektivity“. Zatímco mnoho neurovědců si dříve myslelo, že každá buňka má pouze jednu specializovanou funkci, novější důkazy ukázaly, že mnoho neuronů se může podílet na různých výpočetních souborech pracujících paralelně. Jinými slovy, když králík zvažuje okusování hlávkového salátu na zahradě, jeden neuron se může podílet nejen na posouzení jeho hladu, ale také na slyšení jestřába nad hlavou nebo na čichu kojota ve stromech a na posouzení, jak daleko se hlávkový salát nachází.

Mozek nezvládá více úkolů najednou, uvedl spoluautor článku Earl K. Miller, profesor na Picowerově institutu pro studium učení a paměti na MIT a jeden z průkopníků myšlenky smíšené selektivity, ale mnoho buněk má schopnost zapojit se do více výpočtů (v podstatě „myšlenek“). V novém článku autoři popisují specifické mechanismy, které mozek používá k náboru neuronů do různých výpočtů a k zajištění toho, aby tyto neurony reprezentovaly správný počet dimenzí složitého úkolu.

Tyto neurony plní mnoho funkcí. Se smíšenou selektivitou můžete mít reprezentační prostor, který je tak komplexní, jak potřebujete, a nic víc. V tom spočívá flexibilita kognitivních funkcí.“

Earl K. Miller, profesor, Picowerův institut pro studium učení a paměti, Massachusettský technologický institut

Spoluautorka Kay Tai, profesorka na Salkově institutu a Kalifornské univerzitě v San Diegu, uvedla, že smíšená selektivita mezi neurony, zejména v mediálním prefrontálním kortexu, je klíčem k umožnění mnoha mentálních schopností.

„MPFC je jako šepot, který reprezentuje 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 se zrodila v roce 2000, kdy Miller a jeho kolega John Duncan obhájili překvapivý výsledek studie kognitivních funkcí v Millerově laboratoři. Když zvířata třídila obrázky do kategorií, zdálo se, že bylo 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. Millerova a Duncanova odpověď zněla, že buňky možná mají flexibilitu zapojit se do mnoha výpočtů. Schopnost sloužit v jedné mozkové skupině, jak tomu bylo, nevylučovala jejich schopnost sloužit mnoha dalším.

Ale jaký přínos přináší smíšená selektivita? V roce 2013 se Miller spojil se dvěma spoluautory nového článku, Mattiou Rigottim z IBM Research a Stefanem Fusim z Kolumbijské univerzity, aby ukázali, jak smíšená selektivita dává mozku silnou výpočetní flexibilitu. V podstatě soubor neuronů se smíšenou selektivitou dokáže pojmout mnohem více dimenzí informací o úkolu než populace neuronů s fixními funkcemi.

„Od naší původní práce jsme dosáhli pokroku v chápání teorie smíšené selektivity optikou klasických myšlenek strojového učení,“ řekl Rigotti. „Na druhou stranu otázky důležité pro experimentátory ohledně mechanismů implementujících toto na buněčné úrovni byly relativně málo prozkoumány. Tato spolupráce a tento nový článek si kladou za cíl tuto mezeru zaplnit.“

V novém článku si autoři představují myš, která se rozhoduje, zda sní bobule. Může vonět lahodně (to je jeden rozměr). Může být jedovatá (to je další). Další rozměr nebo dva problému by mohly mít podobu sociálního signálu. Pokud myš ucítí bobule v dechu jiné myši, bobule je pravděpodobně jedlá (v závislosti na zjevném zdraví druhé myši). Neurální soubor se smíšenou selektivitou by mohl toto vše integrovat.

Přitahování neuronů

Ačkoli smíšenou selektivitu podporuje spousta důkazů – byla pozorována v celé kůře a v dalších oblastech mozku, jako je hipokampus a amygdala – zůstávají otevřené otázky. Například jak se neurony rekrutují k úkolům a jak se neurony s tak širokým záběrem soustředí pouze na to, co je skutečně kritické?

V nové studii výzkumníci, včetně Marcuse Benny z Kalifornské univerzity v San Diegu a Felixe Taschbacha ze Salkova institutu, identifikují formy smíšené selektivity, které vědci pozorovali, a tvrdí, že když oscilace (známé také jako „mozkové vlny“) a neuromodulátory (chemikálie jako serotonin nebo dopamin, které ovlivňují nervové funkce) rekrutují neurony do výpočetních souborů, pomáhají jim také „filtrovat“ to, co je pro tento účel důležité.

Některé neurony se samozřejmě specializují na konkrétní vstup, ale autoři zdůrazňují, že jsou spíše výjimkou, než pravidlem. Tyto buňky, jak tvrdí autoři, mají „čistou selektivitu“. Zajímá je pouze to, zda králík vidí salát. Některé neurony vykazují „lineární smíšenou selektivitu“, což znamená, že jejich odpověď předvídatelně závisí na součtu více vstupů (králík vidí salát a cítí hlad). Neurony, které přidávají největší flexibilitu měření, jsou ty s „nelineární smíšenou selektivitou“, která dokáže zohlednit více nezávislých proměnných, aniž by je musela všechny sčítat. Místo toho dokáže zohlednit celou řadu nezávislých podmínek (např. je tam salát, mám hlad, neslyším jestřáby, necítím kojoty, ale salát je daleko a vidím docela pevný plot).

Co tedy přitahuje neurony k zaměření se na smysluplné faktory, bez ohledu na to, kolik jich je? Jedním z mechanismů jsou oscilace, ke kterým 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 (například vysílání jestřába kroužícího nad hlavou). Dalším mechanismem, který autoři zdůrazňují, jsou neuromodulátory. Jde o chemické látky, které, když se dostanou k receptorům uvnitř buněk, mohou také ovlivnit jejich aktivitu. Například nárůst acetylcholinu může podobně naladit neurony s příslušnými receptory na určitou aktivitu nebo informaci (možná pocit hladu).

„Tyto dva mechanismy pravděpodobně spolupracují a dynamicky vytvářejí funkční sítě,“ píší autoři.

Pochopení smíšené selektivity je podle nich klíčové pro pochopení kognice.

„Smíšená selektivita je všudypřítomná,“ uzavírají. „Je přítomna napříč druhy a slouží funkcím od poznávání na vysoké úrovni až po ‚automatické‘ senzomotorické procesy, jako je rozpoznávání objektů. Široký výskyt smíšené selektivity zdůrazňuje její zásadní roli v poskytování škálovatelného výpočetního výkonu mozku potřebného pro komplexní myšlení a jednání.“

Podrobnosti o studii jsou k dispozici na stránce časopisu CELL.