Сила змішаної селективності: розуміння функцій мозку і пізнання

Щодня наш мозок прагне оптимізувати компроміс: з такою кількістю подій, що відбуваються навколо нас, і водночас з такою кількістю внутрішніх спогадів, наші думки повинні бути гнучкими, але достатньо зосередженими, щоб керувати всім, що нам потрібно робити. У новій статті в журналі Neuron команда нейробіологів описує, як мозок досягає когнітивної здатності інтегрувати всю відповідну інформацію, не перевантажуючись тим, що не має значення.

Автори стверджують, що ця гнучкість випливає з ключової властивості, яку спостерігають у багатьох нейронах: «змішаної вибірковості». Хоча багато нейробіологів раніше вважали, що кожна клітина має лише одну спеціалізовану функцію, новіші дані показали, що багато нейронів можуть брати участь у різних обчислювальних ансамблях, працюючи паралельно. Іншими словами, коли кролик розглядає можливість погризти трохи салату в саду, один нейрон може бути задіяний не лише в оцінці його голоду, але й у тому, щоб почути яструба над головою або відчути запах койота на деревах та оцінити, наскільки далеко знаходиться салат.

Мозок не виконує багато завдань одночасно, сказав співавтор статті Ерл К. Міллер, професор Інституту Піковера з вивчення навчання та пам'яті при Массачусетському технологічному інституті та один із піонерів ідеї змішаної вибірковості, але багато клітин мають здатність брати участь у кількох обчисленнях (по суті, «думках»). У новій статті автори описують конкретні механізми, які мозок використовує для залучення нейронів до різних обчислень та для забезпечення того, щоб ці нейрони представляли правильну кількість вимірів складного завдання.

Ці нейрони виконують багато функцій. Завдяки змішаній селективності ви можете мати репрезентативний простір, який є настільки складним, наскільки вам потрібно, і не більше. Саме в цьому полягає гнучкість когнітивної функції.

Ерл К. Міллер, професор, Інститут Піковера з вивчення навчання та пам'яті, Массачусетський технологічний інститут

Співавтор Кей Тай, професор Інституту Солка та Каліфорнійського університету в Сан-Дієго, зазначила, що змішана селективність серед нейронів, особливо в медіальній префронтальній корі, є ключовою для реалізації багатьох розумових здібностей.

«MPFC — це як шепіт, який представляє так багато інформації за допомогою дуже гнучких та динамічних ансамблів», — сказав Тай. «Змішана вибірковість — це властивість, яка надає нам гнучкість, когнітивні здібності та креативність. Це секрет максимізації обчислювальної потужності, яка, по суті, є основою інтелекту».

Походження ідеї

Ідея змішаної вибірковості виникла у 2000 році, коли Міллер та його колега Джон Дункан захистили несподіваний результат дослідження когнітивних функцій у лабораторії Міллера. Коли тварини сортували зображення за категоріями, здавалося, що було залучено близько 30 відсотків нейронів у префронтальній корі мозку. Скептики, які вважали, що кожен нейрон має певну функцію, насміхалися з ідеї про те, що мозок може присвятити так багато клітин лише одному завданню. Відповідь Міллера та Дункана полягала в тому, що, можливо, клітини мають гнучкість, щоб брати участь у багатьох обчисленнях. Здатність служити в одній групі мозку, як це було, не виключала їхньої здатності служити багатьом іншим.

Але яку користь приносить змішана селективність? У 2013 році Міллер об'єднався з двома співавторами нової статті, Маттіа Ріготті з IBM Research та Стефано Фузі з Колумбійського університету, щоб показати, як змішана селективність надає мозку потужну обчислювальну гнучкість. По суті, ансамбль нейронів зі змішаною селективністю може вмістити набагато більше вимірів інформації про завдання, ніж популяція нейронів з фіксованими функціями.

«З моменту нашої першої роботи ми досягли прогресу в розумінні теорії змішаної селективності крізь призму класичних ідей машинного навчання», — сказав Ріготті. «З іншого боку, важливі для експериментаторів питання щодо механізмів реалізації цього на клітинному рівні були відносно недостатньо вивчені. Ця співпраця та ця нова стаття мають на меті заповнити цю прогалину».

У новій статті автори уявляють мишу, яка вирішує, чи з'їсти йому ягоду. Вона може пахнути смачно (це один вимір). Вона може бути отруйною (це інший). Інший або два виміри проблеми можуть проявлятися у вигляді соціального сигналу. Якщо миша відчуває запах ягоди в диханні іншої миші, ягода, ймовірно, їстівна (залежно від видимого стану здоров'я іншої миші). Нейронний ансамбль зі змішаною вибірковістю міг би інтегрувати все це.

Приваблення нейронів

Хоча змішана селективність підтверджується численними доказами — її спостерігали по всій корі та в інших ділянках мозку, таких як гіпокамп та мигдалина — питання залишаються відкритими. Наприклад, як нейрони залучаються до завдань, і як нейрони з таким широким кругозором залишаються налаштованими лише на те, що дійсно критично важливо?

У новому дослідженні дослідники, включаючи Маркуса Бенну з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго та Фелікса Ташбаха з Інституту Солка, визначили форми змішаної селективності, які спостерігали дослідники, і стверджують, що коли коливання (також відомі як «мозкові хвилі») та нейромодулятори (хімічні речовини, такі як серотонін або дофамін, що впливають на нейронну функцію) залучають нейрони до обчислювальних ансамблів, вони також допомагають їм «фільтрувати» те, що важливо для цієї мети.

Звичайно, деякі нейрони спеціалізуються на певному вхідному сигналі, але автори зазначають, що вони є винятком, а не правилом. Ці клітини, кажуть автори, мають «чисту вибірковість». Їх хвилює лише те, чи бачить кролик салат. Деякі нейрони демонструють «лінійну змішану вибірковість», що означає, що їхня реакція передбачувано залежить від суми кількох вхідних сигналів (кролик бачить салат і відчуває голод). Нейрони, які додають найбільшу гнучкість вимірювання, — це ті, що мають «нелінійну змішану вибірковість», яка може враховувати кілька незалежних змінних без необхідності підсумовувати їх усі разом. Натомість вони можуть враховувати цілий набір незалежних умов (наприклад, є салат, я голодний, я не чую яструбів, я не відчуваю запаху койотів, але салат далеко, і я бачу досить міцний паркан).

Отже, що ж приваблює нейрони зосереджуватися на значущих факторах, незалежно від їх кількості? Одним із механізмів є коливання, які виникають у мозку, коли багато нейронів підтримують свою електричну активність в одному ритмі. Ця скоординована активність дозволяє обмінюватися інформацією, по суті налаштовуючи їх разом, як група автомобілів, які грають одну й ту саму радіостанцію (можливо, трансляцію яструба, що кружляє над головою). Іншим механізмом, який виділяють автори, є нейромодулятори. Це хімічні речовини, які, коли вони досягають рецепторів усередині клітин, також можуть впливати на їхню активність. Наприклад, сплеск ацетилхоліну може аналогічно налаштувати нейрони з відповідними рецепторами на певну активність або інформацію (можливо, відчуття голоду).

«Ці два механізми, ймовірно, працюють разом, щоб динамічно формувати функціональні мережі», пишуть автори.

Розуміння змішаної селективності, продовжують вони, є критично важливим для розуміння когнітивних процесів.

«Змішана селективність є повсюдною», – роблять висновок вони. «Вона присутня у різних видів і виконує функції, починаючи від когнітивних функцій високого рівня і закінчуючи «автоматичними» сенсомоторними процесами, такими як розпізнавання об’єктів. Поширення змішаної селективності підкреслює її фундаментальну роль у забезпеченні мозку масштабованою обчислювальною потужністю, необхідною для складного мислення та дії».

Деталі дослідження доступні на сторінці журналу CELL