Сила змішаної вибірковості: розуміння функції мозку та пізнання

Кожен день наш мозок прагне оптимізувати компроміс: з багатьма подіями, що відбуваються навколо нас, і водночас з багатьма внутрішніми спогадами та спогадами, наші думки мають бути гнучкими, але достатньо зосередженими, щоб направляти все, 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 гнучкість виникає через ключову властивість багатьох нейронів: «змішану вибірковість». 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, які працюють паралельно. Іншими словами, коли кролик збирається поласувати салатом у саду, один нейрон може брати участь не лише в оцінці його голоду, але й у тому, щоб почути яструба над головою чи запах койота на деревах і визначити, наскільки далеко знаходиться салат.. p>

Мозок не виконує багато завдань, сказав співавтор Ерл К. Міллер, професор Інституту навчання та пам’яті Пікавера в Массачусетському технологічному інституті та один із піонерів ідеї змішаної вибірковості, але багато клітин дійсно мають здатність брати участь у кількох обчислювальних процесах (по суті, «думках»). У новій статті автори описують конкретні механізми, які використовує мозок, щоб залучати нейрони для виконання різноманітних обчислень і гарантувати, що ці нейрони представляють правильну кількість вимірів складної проблеми.

Ці нейрони виконують багато функцій. Завдяки змішаній селективності можна мати репрезентативний простір, який є настільки складним, наскільки це необхідно, і не більше. Саме в цьому полягає гнучкість когнітивної функції."

Ерл К. Міллер, професор Інституту Пікавера з вивчення навчання та пам’яті Массачусетського технологічного інституту

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

"MPFC схожий на шепіт, який представляє стільки інформації через дуже гнучкі та динамічні ансамблі", - сказав Тай. «Змішана вибірковість — це властивість, яка дає нам гнучкість, когнітивні здібності та креативність. Це секрет максимізації обчислювальної потужності, яка, по суті, є основою інтелекту».

Походження ідеї

Ідея змішаної вибірковості виникла в 2000 році, коли Міллер і його колега Джон Дункан захистили дивовижні результати дослідження когнітивних функцій у лабораторії Міллера. Коли тварини сортували зображення за категоріями, близько 30 відсотків нейронів префронтальної кори головного мозку виявилися активованими. Скептики, які вважали, що кожен нейрон має певну функцію, висміювали ідею, що мозок може присвятити стільки клітин лише одному завданню. Міллер і Дункан відповіли, що, можливо, клітини мають гнучкість, щоб брати участь у багатьох обчисленнях. Здатність обслуговувати одну групу мозку, як це було, не виключала їх здатності обслуговувати багато інших.

Але які переваги дає змішана вибірковість? У 2013 році Міллер об’єднався з двома співавторами нової статті, Маттіа Ріготті з IBM Research і Стефано Фузі з Колумбійського університету, щоб показати, як змішана вибірковість наділяє мозок потужною обчислювальною гнучкістю. По суті, ансамбль нейронів зі змішаною вибірковістю може вмістити набагато більше вимірів інформації про завдання, ніж популяція нейронів із незмінними функціями.

«З моменту нашої початкової роботи ми досягли прогресу в розумінні теорії змішаної вибірковості через призму класичних ідей машинного навчання», — сказав Ріготті. «З іншого боку, важливі для експериментаторів питання про механізми, які роблять це на клітинному рівні, були відносно мало досліджені. Ця співпраця та ця нова стаття мали на меті заповнити цю прогалину».

У новій статті автори представляють мишу, яка вирішує, чи їсти їй ягоду. Вона може смачно пахнути (це один вимір). Він може бути отруйним (це інша річ). Ще один чи два аспекти проблеми можуть виникнути у формі соціального сигналу. Якщо миша відчуває запах ягоди під час дихання іншої миші, то ягода, ймовірно, їстівна (залежно від видимого здоров’я іншої миші). Нейронний ансамбль зі змішаною вибірковістю зможе все це об’єднати.

Залучення нейронів

Хоча змішана вибірковість підтверджується багатьма доказами — її спостерігали в корі головного мозку та в інших областях мозку, таких як гіпокамп і мигдалеподібне тіло, — питання залишаються відкритими. Наприклад, як нейрони залучаються до виконання завдань і як нейрони, які є настільки «широкими кругозорами», залишаються налаштованими лише на те, що дійсно важливо для місії?

У новому дослідженні дослідники, зокрема Маркус Бенна з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго та Фелікс Ташбах з Інституту Солка, ідентифікують форми змішаної вибірковості, які спостерігали дослідники, і стверджують, що коливання (також відомі як «мозкові хвилі») і нейромодулятори ( хімічні речовини, такі як серотонін або дофамін, які впливають на нейронні функції) 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. Автори кажуть, що ці клітини мають «чисту вибірковість». Їх хвилює лише те, чи бачить кролик листя салату. Деякі нейрони демонструють «лінійну змішану селективність», що означає, що їх відповідь передбачувано залежить від суми кількох вхідних даних (кролик бачить салат і відчуває голод). Нейрони, які додають найбільшу гнучкість вимірювання, — це нейрони з «нелінійною змішаною вибірковістю», які можуть враховувати кілька незалежних змінних без необхідності їх підсумовування. 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 можу побачити досить міцну огорожу).

Отже, що приваблює нейрони зосереджуватися на важливих факторах, скільки б їх не було? Одним з механізмів є коливання, яке виникає в мозку, коли багато нейронів підтримують свою електричну активність в однаковому ритмі. Ця скоординована діяльність дозволяє обмінюватися інформацією, по суті, налаштовуючи їх разом, як група автомобілів, які відтворюють одну і ту ж 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 їх активність. Наприклад, сплеск ацетилхоліну може так само запустити нейрони з відповідними рецепторами для певної діяльності чи інформації (можливо, відчуття голоду).

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

Розуміння змішаної вибірковості, продовжують вони, має вирішальне значення для розуміння пізнання.

«Змішана вибірковість поширена всюди», — підсумовують вони. «Він присутній у різних видів і виконує різноманітні функції від високого рівня пізнання до «автоматичних» сенсомоторних процесів, таких як розпізнавання об’єктів. Широке поширення змішаної вибірковості підкреслює її фундаментальну роль у забезпеченні мозку масштабованою обчислювальною потужністю, необхідною для складних думки та дії." p>

Докладніше про дослідження в журналі CELL