Segase selektiivsuse jõud: aju funktsiooni ja tunnetuse mõistmine

Meie aju püüab iga päev kompromissi optimeerida: kuna meie ümber toimub palju sündmusi ja samal ajal palju sisemisi tõuke ja mälestusi, peavad meie mõtted olema paindlikud, kuid piisavalt keskendunud, et juhtida kõike, mida vajame. Ajakirja Neuron uues artiklis kirjeldab neuroteadlaste meeskond, kuidas aju saavutab kognitiivse võime integreerida kogu asjakohane teave, ilma et see häiriks seda, mis pole asjakohane.

Autorid väidavad, et paindlikkus tuleneb paljudes neuronites täheldatud võtmeomadusest: "segatud selektiivsus". Kui paljud neuroteadlased arvasid varem, et igal rakul on ainult üks spetsiaalne funktsioon, siis uuemad tõendid on näidanud, et paljud neuronid võivad osaleda erinevates paralleelselt töötavates arvutusansamblites. Teisisõnu, kui küülik kaalub aias salatit näksimist, võib üks neuron osaleda mitte ainult tema nälja üle otsustamises, vaid ka pea kohal kulli kuulmises või koioti lõhna tundmises puude vahel ja salati asukoha määramises.. p>

Aju ei ole multitasker, ütles kaasautor Earl K. Miller, MIT-i Picoweri õppimise ja mälu instituudi professor ja segaselektiivsuse idee üks pioneere, kuid paljudel rakkudel on see võime. Osaleda mitmes arvutusprotsessis (põhimõtteliselt "mõtted"). Uues artiklis kirjeldavad autorid spetsiifilisi mehhanisme, mida aju kasutab neuronite värbamiseks erinevate arvutuste tegemiseks ja selle tagamiseks, et need neuronid esindaksid keeruka probleemi õiget mõõtmete arvu.

Need neuronid täidavad paljusid funktsioone. Segase selektiivsusega on võimalik saada esinduslik ruum, mis on nii keeruline kui vaja ja mitte rohkem. Siin peitubki kognitiivse funktsiooni paindlikkus."

Earl K. Miller, Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi Picoweri õppimise ja mälu uurimisinstituudi professor

Kaasautor Kaye Tai, Salki Instituudi ja San Diego California ülikooli professor, ütles, et neuronite segane selektiivsus, eriti mediaalses prefrontaalses ajukoores, on paljude vaimsete võimete võimaldamisel võtmetähtsusega.

"MPFC on nagu sosin, mis esindab nii palju teavet väga paindlike ja dünaamiliste ansamblite kaudu," ütles Tai. "Segaselektiivsus on omadus, mis annab meile paindlikkuse, kognitiivse võime ja loovuse. See on töötlusvõimsuse maksimeerimise saladus, mis on sisuliselt intelligentsuse aluseks."

Idee päritolu

Segaselektiivsuse idee sai alguse 2000. Aastal, kui Miller ja tema kolleeg John Duncan kaitsesid Milleri laboris kognitiivse funktsiooni uurimise üllatavat tulemust. Kui loomad pildid kategooriatesse sorteerisid, näis, et umbes 30 protsenti aju prefrontaalses ajukoores olevatest neuronitest olid aktiveeritud. Skeptikud, kes uskusid, et igal neuronil on spetsiaalne funktsioon, irvitasid idee üle, et aju suudab pühendada nii palju rakke vaid ühele ülesandele. Milleri ja Duncani vastus oli, et võib-olla on rakkudel paindlikkus osaleda paljudes arvutustes. Võimalus teenida ühes ajurühmas, nagu see oli, ei välistanud nende võimet teenida paljusid teisi.

Kuid millist kasu toob segaselektiivsus? 2013. Aastal tegi Miller koostööd uue artikli kahe kaasautoriga, Mattia Rigotti IBM Researchist ja Stefano Fusi Columbia ülikoolist, et näidata, kuidas segaselektiivsus annab ajule võimsa arvutusliku paindlikkuse. Sisuliselt võib segase selektiivsusega neuronite ansambel mahutada palju rohkem ülesande teabe dimensioone kui muutumatute funktsioonidega neuronite populatsioon.

"Alates oma esialgsest tööst oleme teinud edusamme segaselektiivsuse teooria mõistmisel läbi klassikaliste masinõppeideede," ütles Rigotti. "Teisest küljest on eksperimentalistidele olulisi küsimusi mehhanismide kohta, mis seda rakutasandil teevad, suhteliselt vähe uuritud. Selle koostöö ja selle uue artikli eesmärk oli see tühimik täita."

Uues artiklis esitlevad autorid hiirt, kes otsustab, kas marja süüa. Ta võib lõhnata maitsvalt (see on üks mõõde). See võib olla mürgine (see on teine asi). Probleemi teine või kaks dimensiooni võivad tekkida sotsiaalse signaali kujul. Kui hiir tunneb marja lõhna teise hiire hingeõhus, siis on see mari tõenäoliselt söödav (olenevalt teise hiire näivast tervisest). Segase selektiivsusega närviansambel suudab seda kõike integreerida.

Neuronite ligimeelitamine

Kuigi segast selektiivsust toetavad rohked tõendid – seda on täheldatud kogu ajukoores ja teistes ajupiirkondades, nagu hipokampus ja mandelkeha –, jäävad küsimused lahtiseks. Näiteks kuidas värbatakse neuroneid ülesannete täitmiseks ja kuidas jäävad nii laia silmaringiga neuronid kursis ainult sellega, mis on missiooni jaoks tõeliselt oluline?

Uues uuringus tuvastasid teadlased, sealhulgas Marcus Benna UC San Diegost ja Felix Taschbach Salki Instituudist, segaselektiivsuse vormid, mida teadlased täheldasid ja väidavad, et kui võnkumised (tuntud ka kui "ajulained") ja neuromodulaatorid ( keemilised ained, nagu serotoniin või dopamiin, mis mõjutavad närvifunktsiooni) meelitavad neuroneid arvutuskoosseisudesse, samuti aitavad need „filtreerida” selle jaoks olulist.

Muidugi on mõned neuronid spetsialiseerunud konkreetsele sisendile, kuid autorid märgivad, et need on erand, mitte reegel. Autorid ütlevad, et neil rakkudel on "puhas selektiivsus". Neid huvitab vaid see, kui jänes näeb salatit. Mõnel neuronil on "lineaarne segaselektiivsus", mis tähendab, et nende reaktsioon sõltub prognoositavalt mitme sisendi summast (küülik näeb salatit ja tunneb nälga). Kõige suurema mõõtmispaindlikkuse lisavad neuronid, millel on "mittelineaarne segaselektiivsus", mis võib arvestada mitme sõltumatu muutujaga, ilma et oleks vaja neid summeerida. Selle asemel võivad nad arvestada terve hulga sõltumatute tingimustega (näiteks on salat, ma olen näljane, ma ei kuule ühtegi kulli, ma ei tunne koioti lõhna, kuid salat on kaugel ja ma saan vaata üsna tugevat tara).

Mis meelitab neuroneid keskenduma olulistele teguritele, hoolimata sellest, kui palju neid on? Üks mehhanism on võnkumine, mis tekib ajus, kui paljud neuronid säilitavad oma elektrilise aktiivsuse samas rütmis. See koordineeritud tegevus võimaldab teavet jagada, häälestades need sisuliselt kokku nagu autorühm, mis mängib sama raadiojaama (võib-olla saade pea kohal tiirutavast kullist). Teine mehhanism, mida autorid rõhutavad, on neuromodulaatorid. Need on kemikaalid, mis võivad rakkude retseptoriteni jõudes mõjutada ka nende aktiivsust. Näiteks võib atsetüülkoliini tõus samamoodi käivitada neuronid vastavate retseptoritega konkreetse tegevuse või teabe jaoks (võib-olla näljatunde jaoks).

"Need kaks mehhanismi töötavad tõenäoliselt koos, et moodustada dünaamiliselt funktsionaalseid võrgustikke," kirjutavad autorid.

Segase selektiivsuse mõistmine on tunnetuse mõistmiseks kriitilise tähtsusega.

„Segane selektiivsus on üldlevinud,” järeldavad nad. "See on olemas kõigis liikides ja täidab mitmesuguseid funktsioone alates kõrgetasemelisest tunnetusest kuni "automaatsete" sensomotoorsete protsessideni, nagu objektide tuvastamine. Segaselektiivsuse laialdane esinemine tõstab esile selle põhirolli ajule kompleksi jaoks vajaliku skaleeritava töötlemisvõimsuse tagamisel. Mõtted ja teod." p>

Lugege uuringu kohta lisateavet ajakirjast CELL