A vegyes szelektivitás ereje: Az agyműködés és a megismerés megértése

Agyunk minden nap arra törekszik, hogy optimalizáljon egy kompromisszumot: mivel sok esemény történik körülöttünk, ugyanakkor sok belső hajtóerő és emlék is, gondolatainknak rugalmasnak kell lenniük, de elég koncentráltnak kell lenniük ahhoz, hogy irányítsák mindazt, amit tennünk kell. A Neuron folyóiratban megjelent új cikkben idegtudósokból álló csapat leírja, hogy az agy hogyan éri el azt a kognitív képességet, hogy integrálja az összes releváns információt anélkül, hogy túlterhelné a nem relevánsak.

A szerzők azzal érvelnek, hogy a rugalmasság egy számos neuronban megfigyelt kulcsfontosságú tulajdonságból fakad: a „vegyes szelektivitásból”. Míg korábban sok idegtudós úgy gondolta, hogy minden sejtnek csak egy speciális funkciója van, a legújabb bizonyítékok azt mutatják, hogy sok neuron részt vehet különböző párhuzamosan működő számítási együttesekben. Más szóval, amikor egy nyúl azt fontolgatja, hogy salátát rágcsál a kertben, az egyik idegsejt nemcsak az éhség megítélésében vesz részt, hanem abban is, hogy meghallja a sólymot a feje fölött, vagy megérzi a prérifarkas szagát a fák között, és meghatározza, milyen messze van a saláta.. p>

Az agy nem egy többfeladatos – mondta Earl K. Miller társszerző, az MIT Picower Tanulási és Memóriai Intézetének professzora, és a vegyes szelektivitás ötletének egyik úttörője, de sok sejtnek megvan a képessége. Hogy több számítási folyamatban (lényegében "gondolatban") vegyenek részt. Az új cikkben a szerzők olyan specifikus mechanizmusokat írnak le, amelyeket az agy neuronok toborzására használ különféle számítások elvégzéséhez, és annak biztosítására, hogy ezek a neuronok egy összetett probléma megfelelő számú dimenzióját képviseljék.

Ezek a neuronok számos funkciót látnak el. Vegyes szelektivitással lehetséges egy olyan reprezentatív tér kialakítása, amely annyira összetett, amennyire szüksége van, és nem több. Ebben rejlik a kognitív funkciók rugalmassága."

Earl K. Miller, a Massachusetts Institute of Technology Picower Tanulást és Memóriát Tanulmányozó Intézetének professzora

Kaye Tai társszerző, a Salk Institute és a San Diego-i Kaliforniai Egyetem professzora azt mondta, hogy a neuronok vegyes szelektivitása, különösen a mediális prefrontális kéregben, kulcsfontosságú számos mentális képesség megteremtésében.

"Az MPFC olyan, mint egy suttogás, amely rendkívül rugalmas és dinamikus együtteseken keresztül annyi információt képvisel" - mondta Tai. "A vegyes szelektivitás az a tulajdonság, amely rugalmasságunkat, kognitív képességünket és kreativitásunkat adja. Ez a titka a feldolgozási teljesítmény maximalizálásának, ami alapvetően az intelligencia alapja."

Az ötlet eredete

A vegyes szelektivitás ötlete 2000-ben keletkezett, amikor Miller és kollégája, John Duncan megvédte a kognitív funkciókkal kapcsolatos kutatások meglepő eredményét Miller laboratóriumában. Amikor az állatok kategóriákba rendezték a képeket, úgy tűnt, hogy az agy prefrontális kéregében lévő neuronok körülbelül 30 százaléka aktiválódott. A szkeptikusok, akik azt hitték, hogy minden idegsejtnek van egy dedikált funkciója, gúnyolódtak azon a gondolaton, hogy az agy ennyi sejtet képes egyetlen feladatra szentelni. Miller és Duncan válasza az volt, hogy talán a sejtek rugalmasan részt vehetnek számos számításban. Az a képesség, hogy egy agycsoportban szolgáljanak, nem zárja ki azt, hogy sok mást szolgáljanak.

De milyen előnyökkel jár a vegyes szelektivitás? 2013-ban Miller összefogott egy új tanulmány két társszerzőjével, Mattia Rigottival az IBM Researchtől és Stefano Fusival a Columbia Egyetemtől, hogy bemutassák, hogyan ruházza fel a vegyes szelektivitás az agyat hatalmas számítási rugalmassággal. Lényegében egy vegyes szelektivitással rendelkező neuronok együttese sokkal több dimenziót képes befogadni a feladatinformációhoz, mint az invariáns funkciójú neuronok populációja.

„Kezdő munkánk óta haladást értünk el a vegyes szelektivitás elméletének megértésében a klasszikus gépi tanulási ötletek szemüvegén keresztül” – mondta Rigotti. "Másrészt a kísérletezők számára fontos kérdéseket a sejtszinten ezt megvalósító mechanizmusokkal kapcsolatban viszonylag kevéssé tárták fel. Ez az együttműködés és ez az új cikk ezt a hiányt kívánta pótolni."

Az új cikkben a szerzők egy egeret mutatnak be, amely eldönti, hogy eszik-e egy bogyót. Finom illata lehet (ez az egyik dimenzió). Mérgező lehet (az egy másik dolog). A probléma egy-két másik dimenziója társadalmi jelzés formájában jelentkezhet. Ha egy egér egy másik egér leheletében bogyószagot érez, akkor a bogyó valószínűleg ehető (a másik egér látszólagos egészségi állapotától függően). Egy vegyes szelektivitású idegi együttes képes lesz mindezt integrálni.

Neuronok vonzása

Bár a vegyes szelektivitást bőséges bizonyíték támasztja alá – az egész kéregben és más agyi régiókban, például a hippocampusban és az amygdalában is megfigyelték –, továbbra is nyitott kérdések maradnak. Például, hogyan verbuválódnak a neuronok a feladatokhoz, és hogyan maradnak az olyan „tág látókörű” neuronok csak a küldetés szempontjából igazán fontos dolgokra figyelve?

Egy új tanulmányban olyan kutatók, mint Marcus Benna (UC San Diego) és Felix Taschbach, a Salk Institute munkatársai azonosították a vegyes szelektivitás formáit, amelyeket a kutatók megfigyeltek, és azzal érvelnek, hogy amikor az oszcillációk (más néven "agyhullámok") és a neuromodulátorok ( kémiai anyagok, mint a szerotonin vagy a dopamin, amelyek befolyásolják az idegi működést) a neuronokat számítási együttesekbe vonzzák, és segítenek „szűrni” az ehhez szükséges dolgokat.

Természetesen egyes neuronok egy adott bemenetre specializálódtak, de a szerzők megjegyzik, hogy kivételt képeznek, nem pedig szabályt. A szerzők szerint ezek a sejtek "tiszta szelektivitással rendelkeznek". Csak az érdekli őket, ha a nyúl meglátja a salátát. Egyes neuronok "lineáris vegyes szelektivitást mutatnak", ami azt jelenti, hogy válaszuk előre láthatóan több bemenet összegétől függ (a nyúl látja a salátát és éhes). A legnagyobb mérési rugalmasságot a „nemlineáris vegyes szelektivitással” rendelkező neuronok biztosítják, amelyek több független változót is figyelembe tudnak venni anélkül, hogy össze kellene őket foglalni. Ehelyett egy sor független feltételt figyelembe tudnak venni (például van saláta, éhes vagyok, nem hallok sólymokat, nem érzek prérifarkasszagot, de a saláta messze van, és tudok elég erős kerítést látni).

Szóval, mi vonzza a neuronokat, hogy jelentős tényezőkre összpontosítsanak, függetlenül attól, hogy hányan vannak? Az egyik mechanizmus az oszcilláció, amely akkor lép fel az agyban, amikor sok neuron ugyanabban a ritmusban tartja elektromos aktivitását. Ez az összehangolt tevékenység lehetővé teszi az információk megosztását, lényegében úgy hangolják össze őket, mint egy autócsoport, amelyek ugyanazt a rádióállomást játsszák (talán a fejük felett keringő sólyom adása). Egy másik mechanizmus, amelyet a szerzők kiemelnek, a neuromodulátorok. Ezek olyan vegyszerek, amelyek a sejten belüli receptorokhoz érve szintén befolyásolhatják azok aktivitását. Például az acetilkolin emelkedése hasonlóképpen feltöltheti a neuronokat a megfelelő receptorokkal egy adott tevékenységhez vagy információhoz (talán az éhségérzethez).

„Ez a két mechanizmus valószínűleg együttműködve dinamikusan funkcionális hálózatokat alkot” – írják a szerzők.

A vegyes szelektivitás megértése továbbra is kritikus a megismerés megértéséhez.

„A vegyes szelektivitás mindenütt jelen van” – összegezték. "Fajonként jelen van, és számos funkciót lát el a magas szintű megismeréstől az "automatikus" szenzomotoros folyamatokig, például a tárgyfelismerésig. A vegyes szelektivitás széles körben elterjedt előfordulása rávilágít alapvető szerepére abban, hogy az agyat a komplex feldolgozáshoz szükséges skálázható feldolgozási erővel látja el. Gondolatok és tettek." p>

További információ a CELL magazin

tanulmányáról