Puterea selectivității mixte: înțelegerea funcției creierului și a cunoașterii

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

Autorii susțin că flexibilitatea provine dintr-o proprietate cheie observată în mulți neuroni: „selectivitatea mixtă”. În timp ce mulți oameni de știință în neuroștiință 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 are în vedere să ciugulească salată în grădină, un neuron poate fi implicat nu numai în a-și judeca foamea, ci și în a auzi un șoim deasupra capului sau în a mirosi un coiot în copaci și în a determina cât de departe este salata verde.. p>

Creierul nu este un multitasker, a spus coautorul Earl K. Miller, profesor la Institutul Picower pentru Învățare și Memorie de la MIT și unul dintre pionierii ideii de selectivitate mixtă, dar multe celule au capacitatea să se angajeze în mai multe procese de calcul (în esență, „gânduri”). În noua lucrare, autorii descriu mecanismele specifice pe care creierul le folosește pentru a recruta neuroni pentru a efectua diverse calcule și pentru a se asigura că acești neuroni reprezintă numărul corect de dimensiuni ale unei probleme complexe.

Acești neuroni îndeplinesc multe funcții. Cu selectivitate mixtă este posibil să existe un spațiu reprezentativ atât de complex pe cât trebuie și nu mai mult. Aici se află flexibilitatea funcției cognitive.”

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

Coautorul Kaye Tai, profesor la Institutul Salk și la Universitatea din California, San Diego, a spus că selectivitatea mixtă între neuroni, în special în cortexul prefrontal medial, este cheia pentru activarea multor abilități mentale.

„MPFC este ca o șoaptă care reprezintă atât de multă informație prin ansambluri extrem de flexibile și dinamice”, a spus Tai. „Selectivitatea mixtă este proprietatea care ne oferă flexibilitatea, capacitatea cognitivă și creativitatea. Este secretul maximizării puterii de procesare, 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 din cercetările privind funcția cognitivă în laboratorul lui Miller. Când animalele au sortat imaginile în categorii, aproximativ 30% dintre neuronii din cortexul prefrontal al creierului păreau să fie activați. Scepticii care credeau că fiecare neuron are o funcție dedicată și-au bătut joc de ideea că creierul ar putea dedica atât de multe celule unei singure sarcini. Răspunsul lui Miller și Duncan a fost că poate celulele au avut flexibilitatea de a participa la multe calcule. Abilitatea de a servi într-un singur grup de creier, așa cum era, nu a exclus capacitatea lor de a servi pe mulți alții.

Dar ce beneficii aduce selectivitatea mixtă? În 2013, Miller a făcut echipă cu doi coautori ai unei noi lucrări, Mattia Rigotti de la IBM Research și Stefano Fusi de la Universitatea Columbia, pentru a arăta cum selectivitatea mixtă conferă creierului o flexibilitate computațională puternică. În esență, un ansamblu de neuroni cu selectivitate mixtă poate găzdui mult mai multe dimensiuni ale informațiilor despre sarcini decât o populație de neuroni cu funcții invariante.

„De la munca noastră inițială, 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 experimentați cu privire la mecanismele care fac acest lucru la nivel celular au fost relativ puțin explorate. Această colaborare și această nouă lucrare au avut ca scop umplerea acestui gol.”

În noua lucrare, autorii prezintă un șoarece care decide dacă să mănânce o boabă. Ea poate mirosi delicios (aceasta este o dimensiune). Poate fi otrăvitor (asta e altceva). O altă dimensiune sau două ale problemei pot apărea sub forma unui semnal social. Dacă un șoarece miroase o boabă pe respirația altui șoarece, atunci boaba este probabil comestibilă (în funcție de starea de sănătate aparentă a celuilalt șoarece). Un ansamblu neuronal cu selectivitate mixtă va putea integra toate acestea.

Atragerea neuronilor

Deși selectivitatea mixtă este susținută de dovezi abundente - 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 neuronii care sunt atât de „cu minte largi” rămân atenți doar la ceea ce este cu adevărat important pentru misiune?

Într-un nou studiu, cercetătorii, inclusiv Marcus Benna de la UC San Diego și Felix Taschbach de la Institutul Salk, identifică formele de selectivitate mixtă pe care cercetătorii le-au observat 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) atrag neuronii în ansambluri computaționale, de asemenea, îi ajută să „filtreze” ceea ce este important în acest scop.

Desigur, unii neuroni sunt specializați pentru o anumită intrare, dar autorii notează că ei sunt excepția, nu regula. Autorii spun că aceste celule au „selectivitate pură”. Le pasă doar dacă iepurele vede salata verde. Unii neuroni prezintă „selectivitate liniară mixtă”, ceea ce înseamnă că răspunsul lor depinde în mod previzibil de suma mai multor intrări (un iepure vede salată verde și se simte foame). Neuronii care adaugă cea mai mare flexibilitate de măsurare sunt cei cu „selectivitate mixtă neliniară”, care pot lua în considerare mai multe variabile independente fără a fi nevoie să le însumăm. În schimb, pot ține cont de un întreg set de condiții independente (de exemplu, există salată verde, mi-e foame, nu aud șoim, nu miros coioți, dar salata este departe și pot vezi un gard destul de puternic).

Deci, ce îi atrage pe neuroni să se concentreze asupra factorilor semnificativi, indiferent câți sunt? Un mecanism este oscilația, care are loc în creier atunci când mulți neuroni își mențin activitatea electrică în același ritm. Această activitate coordonată permite partajarea informațiilor, în esență acordându-le împreună ca un grup de mașini care rulează toate același post de radio (poate o transmisie a unui șoim care se învârte deasupra capului). Un alt mecanism pe care autorii îl evidențiază sunt neuromodulatorii. Acestea sunt substanțe chimice care, atunci când ajung la receptorii din interiorul celulelor, le pot afecta și activitatea. De exemplu, o creștere a acetilcolinei poate induce în mod similar neuronii cu receptorii corespunzători pentru o anumită activitate sau informație (poate senzația de foame).

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

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

„Selectivitatea mixtă este omniprezentă”, concluzionează ei. „Este prezent în toate speciile și îndeplinește o varietate de funcții, de la cogniția 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 cu puterea de procesare scalabilă necesară pentru complexe. Gânduri și acțiuni.” p>

Citiți mai multe despre studiu în revista CELL