Puterea selectivității mixte: înțelegerea funcției creierului și a cogniției

În fiecare zi, creierul nostru se străduiește să optimizeze un compromis: cu atât de multe evenimente care se petrec în jurul nostru și, în același timp, cu atât de multe impulsuri și amintiri interne, gândurile noastre trebuie să fie flexibile, dar suficient de concentrate pentru a ghida tot ceea ce trebuie să facem. Într-o nouă lucrare din revista Neuron, o echipă de neurocercetători descrie modul în care creierul atinge capacitatea cognitivă de a integra toate informațiile relevante fără a fi copleșit de ceea ce nu contează.

Autorii susțin că această flexibilitate provine dintr-o proprietate cheie observată la mulți neuroni: „selectivitate mixtă”. În timp ce mulți neurocercetători credeau anterior că fiecare celulă are o singură funcție specializată, dovezi mai recente au arătat că mulți neuroni pot participa la diferite ansambluri de calcul care lucrează în paralel. Cu alte cuvinte, atunci când un iepure se gândește să ciugulească niște salată verde în grădină, un singur neuron ar putea fi implicat nu doar în evaluarea foamei sale, ci și în auzirea unui șoim deasupra capului sau în mirosul unui coiot în copaci și în a evalua cât de departe se află salata verde.

Creierul nu efectuează mai multe lucruri simultan, a declarat co-autorul lucrării Earl K. Miller, profesor la Institutul Picower pentru Studiul Învățării și Memoriei de la MIT și unul dintre pionierii ideii de selectivitate mixtă, dar multe celule au capacitatea de a se angaja în mai multe calcule (în esență, „gânduri”). În noua lucrare, autorii descriu mecanismele specifice pe care creierul le folosește pentru a recruta neuroni pentru diferite calcule și pentru a se asigura că acești neuroni reprezintă numărul corect de dimensiuni ale unei sarcini complexe.

Acești neuroni îndeplinesc multe funcții. Cu selectivitate mixtă, poți avea un spațiu reprezentațional atât de complex pe cât ai nevoie, și nimic mai mult. Aici rezidă flexibilitatea funcției cognitive.

Earl K. Miller, profesor, Institutul Picower pentru Studiul Învățării și Memoriei, Institutul de Tehnologie din Massachusetts

Co-autoarea Kay Tai, profesoară la Institutul Salk și la Universitatea din California, San Diego, a declarat că selectivitatea mixtă între neuroni, în special în cortexul prefrontal medial, este esențială pentru activarea multor abilități mentale.

„MPFC este ca o șoaptă care reprezintă atât de multe informații prin ansambluri extrem de flexibile și dinamice”, a spus Tai. „Selectivitatea mixtă este proprietatea care ne oferă flexibilitate, capacitate cognitivă și creativitate. Este secretul maximizării puterii de calcul, care este în esență baza inteligenței.”

Originea ideii

Ideea selectivității mixte a apărut în anul 2000, când Miller și colegul său, John Duncan, au apărat un rezultat surprinzător dintr-un studiu al funcției cognitive din laboratorul lui Miller. Când animalele au sortat imaginile în categorii, aproximativ 30% dintre neuronii din cortexul prefrontal al creierului păreau să fie recrutați. Scepticii care credeau că fiecare neuron avea o funcție dedicată au râs de ideea că creierul ar putea dedica atât de multe celule unei singure sarcini. Răspunsul lui Miller și Duncan a fost că, probabil, celulele aveau flexibilitatea de a participa la numeroase calcule. Capacitatea de a servi într-un grup de creier, așa cum a făcut-o, nu a exclus capacitatea lor de a servi multor altele.

Dar ce beneficii aduce selectivitatea mixtă? În 2013, Miller a colaborat cu doi coautori ai noii lucrări, Mattia Rigotti de la IBM Research și Stefano Fusi de la Universitatea Columbia, pentru a demonstra cum selectivitatea mixtă oferă creierului o flexibilitate computațională puternică. În esență, un ansamblu de neuroni cu selectivitate mixtă poate acomoda mult mai multe dimensiuni ale informațiilor despre o sarcină decât o populație de neuroni cu funcții fixe.

„De la studiul nostru inițial, am făcut progrese în înțelegerea teoriei selectivității mixte prin prisma ideilor clasice de învățare automată”, a spus Rigotti. „Pe de altă parte, întrebările importante pentru experimentatori despre mecanismele care implementează acest lucru la nivel celular au fost relativ puțin studiate. Această colaborare și această nouă lucrare își propun să umple această lacună.”

În noua lucrare, autorii își imaginează un șoarece care decide dacă să mănânce o boabă. Ar putea mirosi delicios (aceasta este o dimensiune). Ar putea fi otrăvitoare (aceasta este alta). O altă dimensiune sau două ale problemei ar putea apărea sub forma unui indiciu social. Dacă un șoarece miroase o boabă la respirația unui alt șoarece, boaba este probabil comestibilă (în funcție de starea de sănătate aparentă a celuilalt șoarece). Un ansamblu neuronal cu selectivitate mixtă ar putea integra toate acestea.

Atragerea neuronilor

Deși selectivitatea mixtă este susținută de numeroase dovezi - a fost observată în cortex și în alte regiuni ale creierului, cum ar fi hipocampul și amigdala - rămân întrebări deschise. De exemplu, cum sunt recrutați neuronii pentru sarcini și cum reușesc neuronii atât de deschiși la minte să rămână conectați doar la ceea ce este cu adevărat esențial pentru misiune?

În noul studiu, cercetătorii, inclusiv Marcus Benna de la UC San Diego și Felix Taschbach de la Institutul Salk, identifică formele de selectivitate mixtă observate de cercetători și susțin că, atunci când oscilațiile (cunoscute și sub numele de „unde cerebrale”) și neuromodulatorii (substanțe chimice precum serotonina sau dopamina care influențează funcția neuronală) recrutează neuroni în ansambluri computaționale, aceștia îi ajută și să „filtreze” ceea ce este important în acest scop.

Desigur, unii neuroni se specializează într-o anumită intrare, dar autorii subliniază că aceștia sunt excepția, nu regula. Aceste celule, spun autorii, au „selectivitate pură”. Le pasă doar dacă iepurele vede salată verde. Unii neuroni prezintă „selectivitate mixtă liniară”, ceea ce înseamnă că răspunsul lor depinde previzibil de suma mai multor intrări (iepurele vede salată verde și simte foame). Neuronii care adaugă cea mai mare flexibilitate de măsurare sunt cei cu „selectivitate mixtă neliniară”, care pot explica mai multe variabile independente fără a fi nevoie să le însumeze pe toate. În schimb, aceștia pot explica un set întreg de condiții independente (de exemplu, există salată verde, mi-e foame, nu aud șoimi, nu simt miros de coioți, dar salata verde este departe și pot vedea un gard destul de robust).

Așadar, ce anume atrage neuronii să se concentreze asupra factorilor semnificativi, indiferent câți ar fi? Un mecanism îl reprezintă oscilațiile, care apar în creier atunci când mulți neuroni își mențin activitatea electrică în același ritm. Această activitate coordonată permite partajarea informațiilor, practic acordându-le împreună, ca un grup de mașini care redă același post de radio (poate o transmisie a unui șoim care zboară în cerc deasupra). Un alt mecanism evidențiat de autori sunt neuromodulatorii. Aceștia sunt substanțe chimice care, atunci când ajung la receptorii din interiorul celulelor, pot influența, de asemenea, activitatea acestora. De exemplu, o creștere bruscă a nivelului de acetilcolină poate acorda în mod similar neuronii cu receptorii corespunzători la o anumită activitate sau informație (poate senzația de foame).

„Aceste două mecanisme lucrează probabil împreună pentru a forma dinamic rețele funcționale”, scriu autorii.

Înțelegerea selectivității mixte, continuă ei, este esențială pentru înțelegerea cogniției.

„Selectivitatea mixtă este omniprezentă”, conchid ei. „Este prezentă la toate speciile și îndeplinește funcții variind de la cunoaștere la nivel înalt până la procese senzoriomotorii «automate», cum ar fi recunoașterea obiectelor. Apariția pe scară largă a selectivității mixte evidențiază rolul său fundamental în furnizarea creierului a puterii de procesare scalabile necesare pentru gândirea și acțiunea complexă.”

Detalii despre studiu sunt disponibile pe pagina revistei CELL