Jauktās selektivitātes spēks: smadzeņu darbības un izziņas izpratne

Mūsu smadzenes katru dienu cenšas optimizēt kompromisu: tā kā mums apkārt notiek daudzi notikumi un tajā pašā laikā daudzi iekšējie dzinuļi un atmiņas, mūsu domām ir jābūt elastīgām, taču pietiekami koncentrētām, lai vadītu visu, kas mums jādara. Jaunā rakstā žurnālā Neuron neirozinātnieku komanda apraksta, kā smadzenes sasniedz kognitīvās spējas integrēt visu būtisko informāciju, nenomācot to, kas nav būtisks.

Autori apgalvo, ka elastība izriet no galvenās īpašības, kas novērota daudzos neironos: "jaukta selektivitāte". Lai gan daudzi neirozinātnieki iepriekš uzskatīja, ka katrai šūnai ir tikai viena specializēta funkcija, jaunākie pierādījumi liecina, ka daudzi neironi var piedalīties dažādos skaitļošanas ansambļos, kas darbojas paralēli. Citiem vārdiem sakot, kad trusis dārzā apsver iespēju grauzt salātus, viens neirons var būt iesaistīts ne tikai tā izsalkuma noteikšanā, bet arī vanaga sadzirdēšanā virs galvas vai koijota smaržas kokos un noteikšanā, cik tālu ir salāti.. p>

Smadzenes nav daudzuzdevumu veicējs, sacīja līdzautors Ērls K. Millers, Pikovera Mācību un atmiņas institūta profesors MIT un viens no jauktas selektivitātes idejas pionieriem, taču daudzām šūnām ir šādas spējas. Iesaistīties vairākos skaitļošanas procesos (būtībā "domas"). Jaunajā rakstā autori apraksta konkrētus mehānismus, ko smadzenes izmanto, lai piesaistītu neironus dažādu aprēķinu veikšanai un nodrošinātu, ka šie neironi atspoguļo pareizo sarežģītās problēmas dimensiju skaitu.

Šie neironi veic daudzas funkcijas. Ar jauktu selektivitāti ir iespējams izveidot reprezentatīvu telpu, kas ir tik sarežģīta, cik nepieciešams, un ne vairāk. Šeit slēpjas kognitīvās funkcijas elastība."

Ērls K. Millers, Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta Pikovera mācīšanās un atmiņas pētījumu institūta profesors

Līdzautore Keja Tai, Solkas institūta un Kalifornijas Universitātes Sandjego profesore, teica, ka jaukta selektivitāte starp neironiem, īpaši mediālajā prefrontālajā garozā, ir galvenais, lai veicinātu daudzas garīgās spējas.

"MPFC ir kā čuksti, kas atspoguļo tik daudz informācijas, izmantojot ļoti elastīgus un dinamiskus ansambļus," sacīja Tai. "Jauktā selektivitāte ir īpašība, kas sniedz mums elastību, kognitīvās spējas un radošumu. Tas ir noslēpums, lai maksimāli palielinātu apstrādes jaudu, kas būtībā ir inteliģences pamats."

Idejas izcelsme

Ideja par jauktu selektivitāti radās 2000. gadā, kad Millers un viņa kolēģis Džons Dankans aizstāvēja pārsteidzošu rezultātu no kognitīvo funkciju pētījumiem Millera laboratorijā. Kad dzīvnieki sakārtoja attēlus kategorijās, šķita, ka tika aktivizēti apmēram 30 procenti smadzeņu prefrontālās garozas neironu. Skeptiķi, kuri uzskatīja, ka katram neironam ir īpaša funkcija, izsmēja domu, ka smadzenes var veltīt tik daudz šūnu tikai vienam uzdevumam. Millera un Dankana atbilde bija tāda, ka, iespējams, šūnām bija iespēja piedalīties daudzos aprēķinos. Spēja kalpot vienā smadzeņu grupā, kāda tā bija, neizslēdza viņu spēju kalpot daudzām citām.

Bet kādas priekšrocības sniedz jauktā selektivitāte? 2013. gadā Millers sadarbojās ar diviem jauna dokumenta līdzautoriem, Mattia Rigotti no IBM Research un Stefano Fusi no Kolumbijas universitātes, lai parādītu, kā jaukta selektivitāte piešķir smadzenēm spēcīgu skaitļošanas elastību. Būtībā neironu kopums ar jauktu selektivitāti var uzņemt daudz vairāk uzdevumu informācijas nekā neironu populācija ar nemainīgām funkcijām.

"Kopš mūsu sākotnējā darba esam panākuši progresu, izprotot jauktās selektivitātes teoriju, izmantojot klasiskās mašīnmācīšanās idejas," sacīja Rigotti. "No otras puses, jautājumi, kas ir svarīgi eksperimentālistiem par mehānismiem, kas to dara šūnu līmenī, ir salīdzinoši maz izpētīti. Šīs sadarbības un šī jaunā dokumenta mērķis bija aizpildīt šo plaisu."

Jaunajā rakstā autori piedāvā peli, kas izlemj, vai ēst ogu. Viņa var garšīgi smaržot (tā ir viena dimensija). Tas var būt indīgs (tā ir cita lieta). Vēl viena vai divas problēmas dimensijas var rasties sociālā signāla veidā. Ja pele sajūt ogu smaržu citas peles elpā, tad oga, iespējams, ir ēdama (atkarībā no otras peles šķietamās veselības). To visu varēs integrēt neironu ansamblis ar jauktu selektivitāti.

Neironu piesaiste

Lai gan jaukto selektivitāti atbalsta daudzi pierādījumi — tā ir novērota visā garozā un citos smadzeņu reģionos, piemēram, hipokampā un amigdalā, joprojām ir atklāti jautājumi. Piemēram, kā neironi tiek piesaistīti uzdevumu veikšanai un kā neironi, kas ir tik “plašā prāta”, var sekot tikai tam, kas patiešām ir svarīgs misijai?

Jaunā pētījumā pētnieki, tostarp Markuss Benna no UC Sandjego un Fēlikss Tašbahs no Salkas institūta, identificē jauktās selektivitātes formas, ko pētnieki novēroja, un apgalvo, ka tad, kad svārstības (pazīstamas arī kā "smadzeņu viļņi") un neiromodulatori ( ķīmiskās vielas, piemēram, serotonīns vai dopamīns, kas ietekmē nervu darbību) piesaista neironus skaitļošanas ansambļos, kā arī palīdz tiem “filtrēt” šim nolūkam svarīgo.

Protams, daži neironi ir specializēti noteiktai ievadei, taču autori atzīmē, ka tie ir izņēmums, nevis likums. Autori saka, ka šīm šūnām ir "tīra selektivitāte". Viņiem rūp tikai tas, vai trusis redz salātus. Dažiem neironiem ir "lineāra jaukta selektivitāte", kas nozīmē, ka to reakcija ir paredzami atkarīga no vairāku ievades datu summas (trusis redz salātus un jūtas izsalcis). Vislielāko mērījumu elastību piešķir neironi ar “nelineāru jauktu selektivitāti”, kas var atspoguļot vairākus neatkarīgus mainīgos bez nepieciešamības tos summēt. Tā vietā viņi var ņemt vērā veselu virkni neatkarīgu apstākļu (piemēram, ir salāti, es esmu izsalcis, es nedzirdu nevienu vanagu, es nejūtu koijotu smaku, bet salāti ir tālu un es varu redzēt diezgan spēcīgu žogu).

Tātad, kas piesaista neironus koncentrēties uz nozīmīgiem faktoriem, neatkarīgi no tā, cik daudz to ir? Viens mehānisms ir svārstības, kas rodas smadzenēs, kad daudzi neironi uztur savu elektrisko aktivitāti vienā ritmā. Šī koordinētā darbība ļauj dalīties ar informāciju, būtībā saskaņojot tos kā automašīnu grupu, kas atskaņo vienu un to pašu radiostaciju (varbūt raidījumu, kurā vanags riņķo virs galvas). Vēl viens mehānisms, ko autori uzsver, ir neiromodulatori. Tās ir ķīmiskas vielas, kas, sasniedzot receptorus šūnās, var ietekmēt arī to darbību. Piemēram, acetilholīna pieplūdums līdzīgi var nodrošināt neironus ar atbilstošiem receptoriem konkrētai darbībai vai informācijai (iespējams, izsalkuma sajūtai).

"Šie divi mehānismi, iespējams, strādā kopā, lai dinamiski veidotu funkcionālus tīklus," raksta autori.

Joprojām ir svarīgi saprast jauktu selektivitāti, lai izprastu izziņu.

"Jauktā selektivitāte ir visuresoša," viņi secina. "Tā ir sastopama visās sugās un pilda dažādas funkcijas, sākot no augsta līmeņa izziņas līdz "automātiskiem" sensoromotoriem procesiem, piemēram, objektu atpazīšanai. Jauktās selektivitātes plaši izplatītā parādība uzsver tās būtisko lomu, nodrošinot smadzenēm mērogojamu apstrādes jaudu, kas nepieciešama sarežģītai darbībai. Domas un darbības." p>

Lasiet vairāk par pētījumu žurnālā CELL