A vegyes szelektivitás ereje: az agyműködés és a megismerés megértése

Agyunk nap mint nap arra törekszik, hogy optimalizálja a kompromisszumot: a körülöttünk zajló rengeteg esemény, és ugyanakkor a belső késztetések és emlékek sokasága miatt gondolatainknak rugalmasnak, de ugyanakkor elég fókuszáltnak kell lenniük ahhoz, hogy mindent irányítsanak, amit tennünk kell. A Neuron folyóiratban megjelent új tanulmányban idegtudósok egy csoportja leírja, hogyan éri el az agy azt a kognitív képességet, hogy minden releváns információt integráljon anélkül, hogy túlterhelné magát a lényegtelen dolgok miatt.

A szerzők azzal érvelnek, hogy ez a rugalmasság egy kulcsfontosságú tulajdonságból ered, amelyet számos neuronnál megfigyelnek: a „vegyes szelektivitásból”. Míg korábban sok idegtudós úgy gondolta, hogy minden sejtnek csak egyetlen specializált funkciója van, a legújabb bizonyítékok azt mutatják, hogy sok neuron részt vehet különböző, párhuzamosan működő számítási együttesekben. Más szóval, amikor egy nyúl fontolgatja, hogy elrágcsáljon egy kis salátát a kertben, egyetlen neuron nemcsak az éhségének felmérésében vehet részt, hanem abban is, hogy meghallja a sólyom hangját a feje fölött, vagy megszagolja a prérifarkast a fák között, és megítélje, milyen messze van a saláta.

Earl K. Miller, a tanulmány társszerzője, az MIT Picower Tanulási és Emlékezetkutató Intézetének professzora és a vegyes szelektivitás elméletének egyik úttörője szerint az agy nem képes több feladatot egyszerre elvégezni, de sok sejt képes több számításban (lényegében „gondolatokban”) részt venni. Az új tanulmányban a szerzők leírják azokat a specifikus mechanizmusokat, amelyeket az agy használ a neuronok különböző számításokhoz való toborzására, és annak biztosítására, hogy ezek a neuronok egy összetett feladat megfelelő számú dimenzióját képviseljék.

Ezek a neuronok számos funkciót látnak el. Vegyes szelektivitással olyan reprezentációs teret kaphatunk, amely annyira összetett, amennyire szükségünk van, és semmi több. Ebben rejlik a kognitív funkciók rugalmassága."

Earl K. Miller, professzor, Picower Tanulási és Emlékezetkutató Intézet, Massachusetts Institute of Technology

Kay Tai, a Salk Intézet és a San Diegó-i Kaliforniai Egyetem professzora, a tanulmány társszerzője szerint a neuronok közötti vegyes szelektivitás, különösen a mediális prefrontális kéregben, kulcsfontosságú számos mentális képesség kibontakozásához.

„Az MPFC olyan, mint egy suttogás, amely rengeteg információt képvisel rendkívül rugalmas és dinamikus együtteseken keresztül” – mondta Tai. „A vegyes szelektivitás az a tulajdonság, amely rugalmasságot, kognitív képességeket és kreativitást biztosít számunkra. Ez a számítási teljesítmény maximalizálásának titka, ami lényegében az intelligencia alapja.”

Az ötlet eredete

A vegyes szelektivitás gondolata 2000-ben kezdődött, amikor Miller és kollégája, John Duncan megvédtek egy meglepő eredményt, amely Miller laboratóriumában a kognitív funkciókkal végzett vizsgálatból származott. Amikor az állatok kategóriákba sorolták a képeket, úgy tűnt, hogy az agy prefrontális kérgében lévő neuronok körülbelül 30 százaléka aktiválódott. A szkeptikusok, akik úgy vélték, hogy minden neuronnak van egy dedikált funkciója, gúnyolódtak azon az elképzelésen, hogy az agy ennyi sejtet képes egyetlen feladatra szánni. Miller és Duncan válasza az volt, hogy a sejtek talán elég rugalmasak ahhoz, hogy számos számításban részt vegyenek. Az a képesség, hogy egy agycsoportban szolgáljanak, ahogyan az történt, nem zárja ki azt a képességüket, hogy sok mást is kiszolgáljanak.

De milyen előnnyel jár a vegyes szelektivitás? 2013-ban Miller két társszerzővel, Mattia Rigottival (IBM Research) és Stefano Fusival (Columbia Egyetem) dolgozott együtt az új tanulmány két társszerzőjével, hogy bemutassák, hogyan biztosít a vegyes szelektivitás az agynak nagy számítási rugalmasságot. Lényegében egy vegyes szelektivitással rendelkező neuronok együttese sokkal több információdimenziót képes befogadni egy feladatról, mint egy fix funkciójú neuronpopuláció.

„Eredeti munkánk óta előrelépéseket tettünk a vegyes szelektivitás elméletének megértésében a klasszikus gépi tanulási elképzelések lencséjén keresztül” – mondta Rigotti. „Másrészt a kísérletezők számára fontos kérdések a sejtszintű megvalósítási mechanizmusokkal kapcsolatban viszonylag kevéssé kutatottak. Ez az együttműködés és ez az új tanulmány ezt a hiányt kívánja betölteni.”

Az új tanulmányban a szerzők elképzelnek egy egeret, amint eldönti, hogy megesz-e egy bogyót. Lehet, hogy finom illatú (ez az egyik dimenzió). Lehet, hogy mérgező (ez egy másik). A probléma egy-két további dimenziója szociális jelzés formájában jelentkezhet. Ha egy egér egy másik egér leheletén bogyót szagol, a bogyó valószínűleg ehető (a másik egér látszólagos egészségi állapotától függően). Egy vegyes szelektivitással rendelkező idegi együttes mindezt integrálni tudná.

Neuronok vonzása

Bár a vegyes szelektivitást számos bizonyíték támasztja alá – megfigyelték már az agykéregben és más agyterületeken, például a hippocampusban és az amygdalában is –, nyitott kérdések továbbra is fennállnak. Például hogyan toborozódnak a neuronok a feladatokhoz, és hogyan maradnak az ilyen széles látókörű neuronok csak arra a területre hangolódva, ami valóban kritikus fontosságú?

Az új tanulmányban olyan kutatók, mint Marcus Benna (UC San Diego) és Felix Taschbach (Salk Intézet), azonosítják a kutatók által megfigyelt vegyes szelektivitás formáit, és azzal érvelnek, hogy amikor az oszcillációk (más néven „agyhullámok”) és a neuromodulátorok (az idegi funkciókat befolyásoló vegyi anyagok, mint a szerotonin vagy a dopamin) neuronokat toboroznak számítási együttesekbe, akkor segítenek nekik „kiszűrni” azt is, ami ehhez a célhoz fontos.

Természetesen egyes neuronok egy adott bemenetre specializálódnak, de a szerzők rámutatnak, hogy ők a kivétel, nem a szabály. A szerzők szerint ezek a sejtek „tiszta szelektivitással” rendelkeznek. Csak az érdekli őket, hogy a nyúl salátát lát-e. Egyes neuronok „lineáris vegyes szelektivitást” mutatnak, ami azt jelenti, hogy válaszuk kiszámíthatóan több bemenet összegétől függ (a nyúl salátát lát és éhesnek érzi magát). A legnagyobb mérési rugalmasságot biztosító neuronok azok, amelyek „nemlineáris vegyes szelektivitással” rendelkeznek, és több független változót is figyelembe tudnak venni anélkül, hogy mindet össze kellene adni. Ehelyett egy sor független feltételt tudnak figyelembe venni (pl. van saláta, éhes vagyok, nem hallok sólymokat, nem érzem a prérifarkas szagát, de a saláta messze van, és egy elég erős kerítést látok).

Mi vonzza tehát az idegsejteket arra, hogy jelentős tényezőkre összpontosítsanak, függetlenül attól, hogy hányuk van? Az egyik mechanizmus az oszcilláció, amely akkor következik be az agyban, amikor sok neuron ugyanabban a ritmusban tartja fenn elektromos aktivitását. Ez az összehangolt tevékenység lehetővé teszi az információk megosztását, lényegében egymáshoz hangolva őket, mint egy autócsoport, amely mind ugyanazt a rádióállomást játssza (talán egy sólyom körözésének adása a fejük felett). Egy másik mechanizmus, amelyet a szerzők kiemelnek, a neuromodulátorok. Ezek olyan vegyi anyagok, amelyek, amikor elérik a sejteken belüli receptorokat, szintén befolyásolhatják azok aktivitását. Például az acetilkolin szintjének megugrása hasonlóképpen hangolhatja a megfelelő receptorokkal rendelkező idegsejteket egy adott tevékenységhez vagy információhoz (talán az éhségérzethez).

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

A vegyes szelektivitás megértése – folytatják – kritikus fontosságú a kogníció megértéséhez.

„A vegyes szelektivitás mindenütt jelen van” – vonják le a következtetést. „Minden fajban jelen van, és a magas szintű kogníciótól az olyan „automatikus” szenzorimotoros folyamatokig, mint a tárgyfelismerés, számos funkciót lát el. A vegyes szelektivitás széles körű előfordulása kiemeli alapvető szerepét abban, hogy az agy számára biztosítsa a komplex gondolkodáshoz és cselekvéshez szükséges skálázható feldolgozási teljesítményt.”

A tanulmány részletei a CELL folyóirat oldalán érhetők el.