Segaselektiivsuse võimsus: aju toimimise ja tunnetuse mõistmine

Iga päev püüab meie aju leida kompromissi: kuna meie ümber toimub nii palju sündmusi ja samal ajal on nii palju sisemisi tungisid ja mälestusi, peavad meie mõtted olema paindlikud, kuid samas piisavalt keskendunud, et juhtida kõike, mida peame tegema. Ajakirjas Neuron avaldatud uues artiklis kirjeldab neuroteadlaste meeskond, kuidas aju saavutab kognitiivse võime integreerida kogu asjakohane teave ilma, et see oleks ülekoormatud ebaolulise poolt.

Autorid väidavad, et see paindlikkus tuleneb paljudes neuronites täheldatud võtmeomadusest: „segaselektiivsusest“. Kuigi paljud neuroteadlased arvasid varem, et igal rakul on ainult üks spetsiifiline funktsioon, on uuemad tõendid näidanud, et paljud neuronid saavad osaleda erinevates arvutuslikes ansamblites, mis töötavad paralleelselt. Teisisõnu, kui küülik kaalub aias salati näksimist, võib üks neuron olla seotud mitte ainult tema nälja hindamisega, vaid ka pea kohal kulli kuulmisega või puude otsas koioti nuusutamise ja salati kauguse hindamisega.

Aju ei täida mitut ülesannet korraga, ütles artikli kaasautor Earl K. Miller, kes on MIT Picoweri õppimise ja mälu uurimise instituudi professor ja üks segaselektiivsuse idee teerajajaid, kuid paljudel rakkudel on võime osaleda mitmes arvutuses (sisuliselt "mõtetes"). Uues artiklis kirjeldavad autorid spetsiifilisi mehhanisme, mida aju kasutab neuronite värbamiseks erinevatele arvutustele ja selle tagamiseks, et need neuronid esindaksid keerulise ülesande õiget arvu dimensioone.

Need neuronid täidavad paljusid funktsioone. Segatud selektiivsuse korral on võimalik luua representatsiooniruum, mis on täpselt nii keeruline, kui vaja, ja mitte rohkem. Selles peitubki kognitiivse funktsiooni paindlikkus.

Earl K. Miller, professor, Picoweri õppimise ja mälu uurimise instituut, Massachusettsi Tehnoloogiainstituut

Kaasautor Kay Tai, Salki Instituudi ja California San Diego Ülikooli professor, ütles, et neuronite, eriti mediaalse prefrontaalse ajukoore segaselektiivsus on paljude vaimsete võimete võimaldamise võti.

„MPFC on nagu sosin, mis edastab tohutul hulgal infot läbi väga paindlike ja dünaamiliste ansamblite,“ ütles Tai. „Segatud selektiivsus on omadus, mis annab meile paindlikkuse, kognitiivsed võimed ja loovuse. See on arvutusvõimsuse maksimeerimise saladus, mis on sisuliselt intelligentsuse alus.“

Idee päritolu

Segaselektiivsuse idee sai alguse 2000. aastal, kui Miller ja tema kolleeg John Duncan kaitsesid Milleri laboris läbi viidud kognitiivse funktsiooni uuringu üllatavat tulemust. Kui loomad sorteerisid pilte kategooriatesse, näis umbes 30 protsenti aju prefrontaalses ajukoores asuvatest neuronitest värvatud olevat. Skeptikud, kes uskusid, et igal neuronil on kindel funktsioon, pilkasid ideed, et aju saab pühendada nii palju rakke vaid ühele ülesandele. Milleri ja Duncani vastus oli, et võib-olla on rakkudel paindlikkus osaleda paljudes arvutustes. Võime teenida ühte ajugruppi, nagu see oli, ei välista nende võimet teenindada paljusid teisi.

Aga millist kasu segaselektiivsus toob? 2013. aastal tegi Miller koostööd uue artikli kahe kaasautoriga, IBM Researchi Mattia Rigotti ja Columbia Ülikooli Stefano Fusiga, et näidata, kuidas segaselektiivsus annab ajule võimsa arvutusliku paindlikkuse. Sisuliselt suudab segaselektiivsusega neuronite ansambel mahutada ülesande kohta palju rohkem teabe dimensioone kui fikseeritud funktsioonidega neuronite populatsioon.

„Alates meie algsest tööst oleme teinud edusamme segaselektiivsuse teooria mõistmisel klassikaliste masinõppe ideede kaudu,“ ütles Rigotti. „Teisest küljest on eksperimentaatorite jaoks olulised küsimused selle rakendamise mehhanismide kohta rakulisel tasandil suhteliselt vähe uuritud. See koostöö ja see uus artikkel püüavad seda lünka täita.“

Uues artiklis kujutavad autorid ette hiirt, kes otsustab, kas marja süüa. See võib lõhnata isuäratavalt (see on üks dimensioon). See võib olla mürgine (see on teine). Probleemi teine dimensioon või kaks võivad tuleneda sotsiaalse vihje vormis. Kui hiir nuusutab teise hiire hingeõhus marja, on mari tõenäoliselt söödav (sõltuvalt teise hiire näilisest tervisest). Segatud selektiivsusega närvisüsteem suudaks seda kõike integreerida.

Neuronite ligimeelitamine

Kuigi segaselektiivsust toetavad arvukad tõendid – seda on täheldatud kogu ajukoores ja teistes ajupiirkondades, näiteks hipokampuses ja amügdalas –, jäävad küsimused siiski lahtiseks. Näiteks kuidas neuronid ülesannete täitmiseks värvatakse ja kuidas nii laia silmaringiga neuronid jäävad häälestatuks ainult sellele, mis on tõeliselt missioonikriitiline?

Uues uuringus tuvastavad teadlased, sealhulgas Marcus Benna UC San Diegost ja Felix Taschbach Salki Instituudist, segaselektiivsuse vormid, mida teadlased täheldasid, ning väidavad, et kui võnkumised (tuntud ka kui "ajulained") ja neuromodulaatorid (kemikaalid nagu serotoniin või dopamiin, mis mõjutavad närvifunktsiooni) värbavad neuroneid arvutuslikesse ansamblitesse, aitavad nad neil ka "filtreerida", mis on selleks otstarbeks oluline.

Muidugi on neuroneid, mis on spetsialiseerunud kindlale sisendile, kuid autorid juhivad tähelepanu sellele, et need on erand, mitte reegel. Autorite sõnul on neil rakkudel "puhas selektiivsus". Neid huvitab ainult see, kas küülik näeb salatit. Mõned neuronid näitavad üles "lineaarset segaselektiivsust", mis tähendab, et nende reaktsioon sõltub prognoositavalt mitme sisendi summast (küülik näeb salatit ja tunneb nälga). Neuronid, mis lisavad mõõtmispaindlikkust kõige rohkem, on need, millel on "mittelineaarne segaselektiivsus", mis suudab arvestada mitme sõltumatu muutujaga ilma neid kõiki kokku summeerimata. Selle asemel suudavad nad arvestada terve hulga sõltumatute tingimustega (nt seal on salat, ma olen näljane, ma ei kuule kulle, ma ei tunne koiotide lõhna, aga salat on kaugel ja ma näen üsna tugevat tara).

Mis siis meelitab neuroneid keskenduma olulistele teguritele, olenemata nende arvust? Üks mehhanism on võnkumised, mis tekivad ajus, kui paljud neuronid säilitavad oma elektrilise aktiivsuse samas rütmis. See koordineeritud aktiivsus võimaldab infot jagada, sisuliselt neid omavahel häälestades, nagu grupp autosid, mis kõik mängivad sama raadiojaama (võib-olla saate pea kohal tiirutavast kullist). Teine mehhanism, mida autorid esile toovad, on neuromodulaatorid. Need on kemikaalid, mis rakkude sees olevate retseptoriteni jõudes võivad samuti nende aktiivsust mõjutada. Näiteks atsetüülkoliini hüppeline tõus võib sarnaselt häälestada neuroneid, millel on sobivad retseptorid, konkreetsele tegevusele või infole (võib-olla näljatundele).

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

Segaselektiivsuse mõistmine, jätkavad nad, on kognitiivsete protsesside mõistmiseks kriitilise tähtsusega.

„Segaselektiivsus on kõikjal levinud,“ järeldavad nad. „See esineb kõikidel liikidel ja täidab funktsioone alates kõrgetasemelisest kognitiivsest protsessist kuni „automaatsete“ sensomotoorsete protsessideni, näiteks objektide äratundmiseni. Segaselektiivsuse laialdane esinemine rõhutab selle fundamentaalset rolli aju varustamises skaleeritava töötlemisvõimsusega, mis on vajalik keeruka mõtlemise ja tegutsemise jaoks.“

Uuringu üksikasjad on leitavad ajakirja CELL lehelt.