Mišraus selektyvumo galia: smegenų funkcijos ir pažinimo supratimas

Kiekvieną dieną mūsų smegenys stengiasi optimizuoti kompromisą: aplinkui vykstant daugybei įvykių ir tuo pat metu daug vidinių paskatų bei prisiminimų, mūsų mintys turi būti lanksčios, bet pakankamai sutelktos, kad vadovautume viskam, ką turime daryti. Naujame žurnale „Neuron“ neurologų komanda aprašo, kaip smegenys įgyja kognityvinį gebėjimą integruoti visą svarbią informaciją, neapsunkindamos to, kas nėra svarbu.

Autoriai teigia, kad lankstumas kyla iš pagrindinės daugelio neuronų savybės: „mišraus selektyvumo“. Nors daugelis neurologų anksčiau manė, kad kiekviena ląstelė turi tik vieną specializuotą funkciją, naujesni įrodymai parodė, kad daugelis neuronų gali dalyvauti skirtinguose lygiagrečiai veikiančiuose skaičiavimo ansambliuose. Kitaip tariant, kai triušis svarsto sode nukąsti salotas, vienas neuronas gali dalyvauti ne tik sprendžiant jo alkį, bet ir išgirdęs vanagą virš galvos ar užuosdamas kojotą medžiuose ir nustatydamas, kiek toli salotos yra.. p>

Smegenys nėra daugelio užduočių vykdytojas, sakė bendraautorius Earlas K. Milleris, MIT Picowerio mokymosi ir atminties instituto profesorius ir vienas mišraus selektyvumo idėjos pradininkų, tačiau daugelis ląstelių turi tokią galimybę. Įsitraukti į daugybę skaičiavimo procesų (iš esmės „minčių“). Naujame dokumente autoriai aprašo konkrečius mechanizmus, kuriuos smegenys naudoja neuronams įdarbinti įvairiems skaičiavimams atlikti ir užtikrinti, kad šie neuronai atspindėtų teisingą sudėtingos problemos matmenų skaičių.

Šie neuronai atlieka daug funkcijų. Su mišriu selektyvumu galima sukurti reprezentacinę erdvę, kuri būtų tokia sudėtinga, kiek reikia ir ne daugiau. Čia slypi pažinimo funkcijų lankstumas.“

Earlas K. Milleris, Masačusetso technologijos instituto Pikoverio mokymosi ir atminties studijų instituto profesorius

Bendraautorė Kaye Tai, Solko instituto ir Kalifornijos universiteto San Diege profesorė, teigė, kad mišrus neuronų selektyvumas, ypač medialinėje prefrontalinėje žievėje, yra labai svarbus daugelio protinių gebėjimų įgalinimui.

„MPFC yra tarsi šnabždesys, perteikiantis tiek daug informacijos per labai lanksčius ir dinamiškus ansamblius“, – sakė Tai. "Mišrus selektyvumas yra savybė, suteikianti mums lankstumo, pažinimo gebėjimų ir kūrybiškumo. Tai yra maksimalios apdorojimo galios, kuri iš esmės yra intelekto pagrindas, paslaptis."

Idėjos kilmė

Mišraus selektyvumo idėja kilo 2000 m., kai Milleris ir jo kolega Johnas Duncanas apgynė nuostabų kognityvinių funkcijų tyrimų Millerio laboratorijoje rezultatą. Kai gyvūnai suskirstė vaizdus į kategorijas, atrodė, kad maždaug 30 procentų smegenų prefrontalinės žievės neuronų buvo suaktyvinti. Skeptikai, manantys, kad kiekvienas neuronas turi tam skirtą funkciją, šaipėsi iš minties, kad smegenys gali skirti tiek daug ląstelių tik vienai užduočiai. Milleris ir Duncanas atsakė, kad galbūt ląstelės turėjo lankstumo dalyvauti daugelyje skaičiavimų. Galimybė tarnauti vienoje smegenų grupėje, kaip buvo, neužkerta kelio jiems tarnauti daugeliui kitų.

Tačiau kokią naudą duoda mišrus selektyvumas? 2013 m. Milleris bendradarbiavo su dviem naujojo straipsnio bendraautoriais – Mattia Rigotti iš IBM tyrimų ir Stefano Fusi iš Kolumbijos universiteto, siekdamas parodyti, kaip mišrus selektyvumas suteikia smegenims galingo skaičiavimo lankstumo. Iš esmės mišraus selektyvumo neuronų ansamblis gali talpinti daug daugiau užduočių informacijos dimensijų nei nekintamų funkcijų neuronų populiacija.

„Nuo pat pradinio darbo mes padarėme pažangą suprasdami mišraus selektyvumo teoriją per klasikinių mašininio mokymosi idėjų objektyvą“, - sakė Rigotti. "Kita vertus, eksperimentalams svarbūs klausimai apie mechanizmus, kurie tai atlieka ląstelių lygiu, buvo palyginti mažai išnagrinėti. Šiuo bendradarbiavimu ir šiuo nauju dokumentu buvo siekiama užpildyti šią spragą."

Naujame dokumente autoriai pristato pelę, sprendžiančią, ar valgyti uogą. Ji gali skaniai kvepėti (tai vienas aspektas). Jis gali būti nuodingas (tai kitas dalykas). Kitas ar du problemos aspektai gali atsirasti socialinio signalo pavidalu. Jei pelė užuodžia uogų kvapą kitos pelės burnoje, tai greičiausiai ta uoga yra valgoma (priklausomai nuo kitos pelės tariamos sveikatos). Mišraus selektyvumo neuronų ansamblis galės visa tai integruoti.

Neuronų pritraukimas

Nors mišrus selektyvumas paremtas gausiais įrodymais – jis buvo pastebėtas visoje žievėje ir kituose smegenų regionuose, tokiuose kaip hipokampas ir migdolinis kūnas, – lieka atvirų klausimų. Pavyzdžiui, kaip neuronai įdarbinami atlikti užduotis ir kaip tokie „plačiai mąstantys“ neuronai stebi tik tai, kas iš tikrųjų svarbu misijai?

Naujame tyrime mokslininkai, įskaitant Marcusą Benną iš UC San Diego ir Felixą Taschbachą iš Salko instituto, nustato mišraus selektyvumo formas, kurias pastebėjo mokslininkai ir teigia, kad kai virpesiai (taip pat žinomi kaip „smegenų bangos“) ir neuromoduliatoriai ( cheminės medžiagos, pvz., serotoninas ar dopaminas, turinčios įtakos nervų funkcijai) pritraukia neuronus į skaičiavimo kompleksus, taip pat padeda jiems „filtruoti“ tai, kas svarbu šiam tikslui.

Žinoma, kai kurie neuronai yra specializuoti tam tikram įėjimui, tačiau autoriai pažymi, kad jie yra išimtis, o ne taisyklė. Autoriai teigia, kad šios ląstelės turi „gryną selektyvumą“. Jiems rūpi tik tai, ar triušis pamato salotas. Kai kurie neuronai pasižymi „linijiniu mišriu selektyvumu“, o tai reiškia, kad jų atsakas nuspėjamai priklauso nuo kelių įėjimų sumos (triušis mato salotas ir jaučiasi alkanas). Daugiausia matavimo lankstumo suteikia neuronai, turintys „netiesinį mišrų selektyvumą“, kurie gali atspindėti kelis nepriklausomus kintamuosius, jų nereikia sumuoti. Vietoj to, jie gali atsižvelgti į visą aibę nepriklausomų sąlygų (pavyzdžiui, yra salotos, aš alkanas, negirdžiu vanagų, nejaučiu kojotų kvapo, bet salotos yra toli ir aš galiu pamatyti gana tvirtą tvorą).

Taigi, kas traukia neuronus sutelkti dėmesį į svarbius veiksnius, nesvarbu, kiek jų yra? Vienas iš mechanizmų yra virpesiai, atsirandantys smegenyse, kai daugelis neuronų palaiko savo elektrinį aktyvumą tuo pačiu ritmu. Ši koordinuota veikla leidžia dalytis informacija, iš esmės suderinant jas kaip automobilių grupę, grojančią tą pačią radijo stotį (galbūt virš galvos besisukančio vanago transliaciją). Kitas mechanizmas, kurį pabrėžia autoriai, yra neuromoduliatoriai. Tai cheminės medžiagos, kurios, pasiekusios ląstelės viduje esančius receptorius, taip pat gali paveikti jų veiklą. Pavyzdžiui, acetilcholino antplūdis gali panašiai pamaitinti neuronus atitinkamais receptoriais konkrečiai veiklai ar informacijai (galbūt alkio jausmui).

„Šie du mechanizmai greičiausiai veikia kartu, kad dinamiškai suformuotų funkcinius tinklus“, – rašo autoriai.

Jie ir toliau supranta mišrų selektyvumą, yra labai svarbu suprasti pažinimą.

„Mišrus selektyvumas yra visur“, – daro išvadą. "Jis yra įvairiose rūšyse ir atlieka įvairias funkcijas nuo aukšto lygio pažinimo iki "automatinių" sensomotorinių procesų, tokių kaip objektų atpažinimas. Plačiai paplitęs mišrus selektyvumas išryškina pagrindinį jo vaidmenį suteikiant smegenims keičiamo dydžio apdorojimo galią, reikalingą sudėtingam darbui. Mintys ir veiksmai.“ p>

Skaitykite daugiau apie tyrimą žurnalo CELL