Силата на смесената селективност: Разбиране на мозъчната функция и познанието

Всеки ден нашият мозък се стреми да оптимизира компромис: с много събития, случващи се около нас, и в същото време много вътрешни стимули и спомени, нашите мисли трябва да бъдат гъвкави, но достатъчно фокусирани, за да направляват всичко, което трябва да направим. В нова статия в списанието Neuron екип от невролози описва как мозъкът постига когнитивната способност да интегрира цялата релевантна информация, без да бъде затрупан от това, което не е релевантно.

Авторите твърдят, че гъвкавостта произтича от ключово свойство, наблюдавано в много неврони: „смесена селективност“. Докато много невролози по-рано смятаха, че всяка клетка има само една специализирана функция, по-нови доказателства показват, че много неврони могат да участват в различни изчислителни ансамбли, работещи паралелно. С други думи, когато заек обмисля да хапне маруля в градината, един неврон може да участва не само в преценката на глада му, но и в това да чуе ястреб отгоре или да помирише койот в дърветата и да определи колко далеч е марулята. p>

Мозъкът не изпълнява много задачи, каза съавторът Ърл К. Милър, професор в Института за учене и памет Picower в MIT и един от пионерите на идеята за смесена селективност, но много клетки наистина имат способността да участва в множество изчислителни процеси (по същество „мисли“). В новата статия авторите описват специфични механизми, които мозъкът използва, за да набира неврони за извършване на различни изчисления и да гарантира, че тези неврони представляват правилния брой измерения на сложен проблем.

Тези неврони изпълняват много функции. Със смесена селективност е възможно да има представително пространство, което е толкова сложно, колкото трябва и не повече. Това е мястото, където се крие гъвкавостта на когнитивната функция."

Ърл К. Милър, професор в Picower Institute for the Study of Learning and Memory към Масачузетския технологичен институт

Съавторът Кайе Тай, професор в Института Солк и Калифорнийския университет в Сан Диего, каза, че смесената селективност сред невроните, особено в медиалния префронтален кортекс, е ключова за активирането на много умствени способности.

„MPFC е като шепот, който представя толкова много информация чрез изключително гъвкави и динамични ансамбли“, каза Тай. „Смесената селективност е свойството, което ни дава нашата гъвкавост, когнитивни способности и креативност. Това е тайната за максимизиране на процесорната мощност, която по същество е в основата на интелигентността.“

Произход на идеята

Идеята за смесена селективност възниква през 2000 г., когато Милър и неговият колега Джон Дънкан защитават изненадващ резултат от изследване на когнитивната функция в лабораторията на Милър. Когато животните сортираха изображенията в категории, около 30 процента от невроните в префронталния кортекс на мозъка изглеждаха активирани. Скептиците, които вярваха, че всеки неврон има специална функция, се присмиваха на идеята, че мозъкът може да посвети толкова много клетки само на една задача. Отговорът на Милър и Дънкан беше, че може би клетките имат гъвкавостта да участват в много изчисления. Способността да служат в една мозъчна група, както беше, не изключва способността им да служат на много други.

Но какви ползи носи смесената селективност? През 2013 г. Милър се обедини с двама съавтори на нова статия, Матиа Риготи от IBM Research и Стефано Фуси от Колумбийския университет, за да покаже как смесената селективност дава на мозъка мощна изчислителна гъвкавост. По същество ансамбъл от неврони със смесена селективност може да поеме много повече измерения на информация за задачите, отколкото популация от неврони с инвариантни функции.

„От първоначалната ни работа постигнахме напредък в разбирането на теорията за смесената селективност през призмата на класическите идеи за машинно обучение“, каза Риготи. "От друга страна, въпроси, важни за експериментаторите относно механизмите, които правят това на клетъчно ниво, са сравнително малко проучени. Това сътрудничество и този нов документ бяха насочени към запълване на тази празнина."

В новата статия авторите представят мишка, която решава дали да яде зрънце. Тя може да мирише вкусно (това е едно измерение). Може да е отровно (това е друго нещо). Друго или две измерения на проблема могат да възникнат под формата на социален сигнал. Ако една мишка помирише зрънце от дъха на друга мишка, тогава зрънцето вероятно е годно за консумация (в зависимост от видимото здраве на другата мишка). Невронен ансамбъл със смесена селективност ще може да интегрира всичко това.

Привличане на неврони

Въпреки че смесената селективност е подкрепена от изобилие от доказателства – наблюдавана е в кората на главния мозък и в други области на мозъка, като хипокампуса и амигдалата – остават открити въпроси. Например, как невроните се набират за задачи и как невроните, които са толкова „широко скроени“, остават настроени само към това, което е наистина важно за мисията?

В ново проучване изследователи, включително Маркъс Бена от Калифорнийския университет в Сан Диего и Феликс Ташбах от Института Солк, идентифицират формите на смесена селективност, наблюдавани от изследователите, и твърдят, че когато трептенията (известни също като „мозъчни вълни“) и невромодулаторите ( химически вещества като серотонин или допамин, които влияят на нервната функция) привличат неврони в изчислителни ансамбли, те също така им помагат да „филтрират“ това, което е важно за тази цел.

Разбира се, някои неврони са специализирани за определен вход, но авторите отбелязват, че те са изключение, а не правило. Авторите казват, че тези клетки имат "чиста селективност". Интересува ги само дали заекът вижда марулята. Някои неврони показват "линейна смесена селективност", което означава, че техният отговор зависи предсказуемо от сбора на множество входове (заек вижда маруля и се чувства гладен). Невроните, добавящи най-голяма гъвкавост на измерване, са тези с „нелинейна смесена селективност“, които могат да отчитат множество независими променливи, без да е необходимо да ги сумират. Вместо това те могат да вземат под внимание цял набор от независими условия (например има маруля, гладен съм, не чувам ястреби, не миришам койоти, но марулята е далече и мога видите доста здрава ограда).

И така, какво привлича невроните да се фокусират върху значими фактори, независимо колко са те? Един механизъм е трептенето, което възниква в мозъка, когато много неврони поддържат електрическата си активност в същия ритъм. Тази координирана дейност позволява споделянето на информация, като по същество ги настройва заедно като група коли, всички пускащи една и съща радиостанция (може би излъчване на ястреб, кръжащ над главата). Друг механизъм, който авторите подчертават, са невромодулаторите. Това са химикали, които, когато достигнат рецептори вътре в клетките, също могат да повлияят на тяхната активност. Например, приливът на ацетилхолин може по подобен начин да подготви невроните със съответните рецептори за специфична дейност или информация (може би чувството на глад).

„Тези два механизма вероятно работят заедно, за да формират динамично функционални мрежи“, пишат авторите.

Разбирането на смесената селективност, продължават те, е от решаващо значение за разбирането на познанието.

„Смесената селективност е повсеместна“, заключават те. „Той присъства сред видовете и обслужва различни функции от познание на високо ниво до „автоматични“ сензомоторни процеси, като разпознаване на обекти. Широко разпространената поява на смесена селективност подчертава основната й роля в осигуряването на мозъка с мащабируема процесорна мощност, необходима за сложни мисли и действия." p>

Прочетете повече за проучването в списание CELL