Jauktās selektivitātes spēks: izpratne par smadzeņu darbību un izziņu

Katru dienu mūsu smadzenes cenšas optimizēt kompromisu: ar tik daudz notikumiem mums apkārt un vienlaikus tik daudzām iekšējām tieksmēm un atmiņām, mūsu domām jābūt elastīgām, bet pietiekami koncentrētām, lai vadītu visu, kas mums jādara. Jaunā rakstā žurnālā Neuron neirozinātnieku komanda apraksta, kā smadzenes sasniedz kognitīvo spēju integrēt visu būtisko informāciju, nepārslogojot tās ar to, kas nav svarīgs.

Autori apgalvo, ka šī elastība izriet no galvenās īpašības, kas novērota daudzos neironos: “jauktās selektivitātes”. 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 apsver iespēju grauzt salātus dārzā, viens neirons varētu būt iesaistīts ne tikai tā izsalkuma novērtēšanā, bet arī vanaga dzirdēšanā virs galvas vai koijota saošanā kokos un salātu attāluma novērtēšanā.

Smadzenes neveic vairākus uzdevumus vienlaikus, sacīja raksta līdzautors Ērls K. Millers, Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta Pikouera Mācīšanās un atmiņas pētījumu institūta profesors un viens no jauktās selektivitātes idejas pionieriem, taču daudzām šūnām piemīt spēja iesaistīties vairākos aprēķinos (būtībā "domās"). Jaunajā rakstā autori apraksta specifiskos mehānismus, ko smadzenes izmanto, lai piesaistītu neironus dažādiem aprēķiniem un nodrošinātu, ka šie neironi pārstāv pareizo sarežģīta uzdevuma dimensiju skaitu.

Šie neironi veic daudzas funkcijas. Ar jauktu selektivitāti jūs varat iegūt reprezentācijas telpu, kas ir tik sarežģīta, cik jums nepieciešams, un ne vairāk. Tieši tur slēpjas kognitīvo funkciju elastība."

Ērls K. Millers, profesors, Pikouera Mācīšanās un atmiņas pētījumu institūts, Masačūsetsas Tehnoloģiju institūts

Līdzautore Keja Tai, profesore Salkas institūtā un Kalifornijas Universitātē Sandjego, teica, ka jaukta selektivitāte starp neironiem, īpaši mediālajā prefrontālajā garozā, ir galvenais daudzu garīgo spēju nodrošināšanai.

"MPFC ir kā čuksts, kas attēlo tik daudz informācijas, izmantojot ļoti elastīgus un dinamiskus ansambļus," sacīja Tai. "Jauktā selektivitāte ir īpašība, kas mums piešķir elastību, kognitīvās spējas un radošumu. Tas ir noslēpums, kā maksimizēt skaitļošanas jaudu, kas būtībā ir intelekta pamatā."

Idejas izcelsme

Jauktās selektivitātes ideja aizsākās 2000. gadā, kad Millers un viņa kolēģis Džons Dankans aizstāvēja pārsteidzošu rezultātu no Millera laboratorijas kognitīvo funkciju pētījuma. Kad dzīvnieki šķiroja attēlus kategorijās, aptuveni 30 procenti neironu smadzeņu prefrontālajā garozā, šķiet, tika piesaistīti. Skeptiķi, kas uzskatīja, ka katram neironam ir īpaša funkcija, izsmēja ideju, ka smadzenes var veltīt tik daudz šūnu tikai vienam uzdevumam. Millera un Dankana atbilde bija tāda, ka, iespējams, šūnām piemīt elastība piedalīties daudzos aprēķinos. Spēja kalpot vienai smadzeņu grupai, kā tas notika, neizslēdza to spēju kalpot daudzām citām.

Bet kādu labumu sniedz jauktā selektivitāte? 2013. gadā Millers apvienojās ar diviem jaunā raksta līdzautoriem — Mattiju Rigotti no IBM Research un Stefano Fusi no Kolumbijas Universitātes —, lai parādītu, kā jauktā selektivitāte smadzenēm piešķir spēcīgu skaitļošanas elastību. Būtībā neironu ansamblis ar jauktu selektivitāti var uzņemt daudz vairāk informācijas dimensiju par uzdevumu nekā neironu populācija ar fiksētām funkcijām.

"Kopš mūsu sākotnējā darba esam guvuši panākumus jauktās selektivitātes teorijas izpratnē, skatoties caur klasisko mašīnmācīšanās ideju prizmu," sacīja Rigotti. "No otras puses, eksperimentālistiem svarīgi jautājumi par mehānismiem, kas to īsteno šūnu līmenī, ir bijuši relatīvi nepietiekami pētīti. Šī sadarbība un šis jaunais raksts ir vērsti uz šīs nepilnības aizpildīšanu."

Jaunajā rakstā autori iztēlojas peli, kas izlemj, vai ēst ogu. Tā varētu smaržot garšīgi (tā ir viena dimensija). Tā varētu būt indīga (tā ir cita). Vēl viena vai divas problēmas dimensijas varētu izpausties kā sociāla norāde. Ja pele saož ogu pēc citas peles elpas, oga, iespējams, ir ēdama (atkarībā no otras peles šķietamās veselības). Neironu ansamblis ar jauktu selektivitāti varētu visu šo integrēt.

Neironu piesaistīšana

Lai gan jaukto selektivitāti apstiprina bagātīgi pierādījumi — tā ir novērota visā garozā un citās smadzeņu zonās, piemēram, hipokampā un amigdalā —, atklāti jautājumi joprojām paliek. Piemēram, kā neironi tiek piesaistīti uzdevumiem un kā tik plaši domājoši neironi spēj saglabāt nostāju tikai attiecībā uz to, kas patiešām ir kritiski svarīgs?

Jaunajā pētījumā pētnieki, tostarp Markuss Benna no Kalifornijas Universitātes Sandjego un Fēlikss Tašbahs no Salkas institūta, identificē jauktās selektivitātes formas, ko pētnieki novēroja, un apgalvo, ka, kad svārstības (pazīstamas arī kā "smadzeņu viļņi") un neiromodulatori (ķīmiskas vielas, piemēram, serotonīns vai dopamīns, kas ietekmē neironu darbību) piesaista neironus skaitļošanas ansambļiem, tie arī palīdz tiem "filtrēt" to, kas ir svarīgs šim nolūkam.

Protams, daži neironi specializējas konkrētā ievadē, taču autori norāda, ka tie ir izņēmums, nevis likums. Autori apgalvo, ka šīm šūnām piemīt "tīra selektivitāte". Tām rūp tikai tas, vai trusis redz salātus. Dažiem neironiem piemīt "lineāra jaukta selektivitāte", kas nozīmē, ka to reakcija paredzami ir atkarīga no vairāku ievades signālu summas (trusis redz salātus un jūtas izsalcis). Neironi, kas piešķir vislielāko mērījumu elastību, ir tie, kuriem ir "nelineāra jaukta selektivitāte", kas var ņemt vērā vairākus neatkarīgus mainīgos, tos visus nesummējot. Tā vietā tie var ņemt vērā veselu neatkarīgu nosacījumu kopumu (piemēram, ir salāti, esmu izsalcis, nedzirdu vanagus, nejūtu koijotu ostu, bet salāti ir tālu, un es redzu diezgan izturīgu žogu).

Tātad, kas piesaista neironus koncentrēties uz nozīmīgiem faktoriem neatkarīgi no tā, cik to ir? Viens no mehānismiem ir svārstības, kas rodas smadzenēs, kad daudzi neironi uztur savu elektrisko aktivitāti vienā un tajā pašā ritmā. Šī koordinētā darbība ļauj apmainīties ar informāciju, būtībā saskaņojot tos kopā, līdzīgi kā automašīnu grupa, kas visas atskaņo vienu un to pašu radiostaciju (iespējams, vanaga pārraide, kas riņķo virs galvas). Vēl viens mehānisms, ko izceļ autori, ir neiromodulatori. Tās ir ķīmiskas vielas, kas, sasniedzot receptorus šūnu iekšienē, var ietekmēt arī to aktivitāti. Piemēram, acetilholīna pieplūdums var līdzīgi saskaņot neironus ar atbilstošiem receptoriem uz konkrētu aktivitāti vai informāciju (iespējams, bada sajūtu).

"Šie divi mehānismi, visticamāk, darbojas kopā, lai dinamiski veidotu funkcionālus tīklus," raksta autori.

Izpratne par jaukto selektivitāti, viņi turpina, ir izšķiroša, lai izprastu izziņu.

"Jauktā selektivitāte ir visuresoša," viņi secina. "Tā ir sastopama visās sugās un pilda funkcijas, sākot no augsta līmeņa izziņas līdz "automātiskiem" sensorimotoriskiem procesiem, piemēram, objektu atpazīšanai. Jauktās selektivitātes plaši izplatītā izplatība izceļ tās fundamentālo lomu smadzeņu nodrošināšanā ar mērogojamu apstrādes jaudu, kas nepieciešama sarežģītai domāšanai un rīcībai."

Sīkāka informācija par pētījumu ir pieejama žurnāla CELL lapā.