Моћ мешовите селективности: разумевање функције мозга и когниције

Сваког дана, наш мозак тежи да оптимизује компромис: са толико догађаја који се дешавају око нас, а истовремено са толико унутрашњих пориви и сећања, наше мисли морају бити флексибилне, али довољно фокусиране да воде све што треба да урадимо. У новом раду у часопису Neuron, тим неуронаучника описује како мозак постиже когнитивну способност да интегрише све релевантне информације, а да притом не буде преоптерећен оним што није важно.

Аутори тврде да ова флексибилност произилази из кључног својства примећеног код многих неурона: „мешовите селективности“. Док су многи неуронаучници раније мислили да свака ћелија има само једну специјализовану функцију, новији докази су показали да многи неурони могу учествовати у различитим рачунарским ансамблима који раде паралелно. Другим речима, када зец размишља да грицка зелену салату у башти, један неурон може бити укључен не само у процену његове глади, већ и у чујење јастреба изнад главе или осећање мириса којота у дрвећу и процену колико је зелена салата удаљена.

Мозак не обавља више задатака истовремено, рекао је коаутор рада Ерл К. Милер, професор на Пиковер институту за проучавање учења и памћења на МИТ-у и један од пионира идеје мешовите селективности, али многе ћелије имају способност да се укључе у вишеструка израчунавања (у суштини, „мисли“). У новом раду, аутори описују специфичне механизме које мозак користи за регрутовање неурона за различита израчунавања и како би осигурали да ти неурони представљају прави број димензија сложеног задатка.

Ови неурони обављају многе функције. Са мешовитом селективношћу, можете имати репрезентативни простор који је онолико сложен колико вам је потребно, и ништа више. Ту лежи флексибилност когнитивне функције.

Ерл К. Милер, професор, Пиковер институт за проучавање учења и памћења, Масачусетски технолошки институт

Коауторка Кеј Тај, професорка на Институту Салк и Универзитету Калифорније у Сан Дијегу, рекла је да је мешовита селективност међу неуронима, посебно у медијалном префронталном кортексу, кључна за омогућавање многих менталних способности.

„MPFC је као шапат који представља толико информација кроз веома флексибилне и динамичне ансамбле“, рекао је Таи. „Мешовита селективност је својство које нам даје флексибилност, когнитивне способности и креативност. То је тајна максимизирања рачунарске снаге, која је у суштини основа интелигенције.“

Порекло идеје

Идеја о мешовитој селективности настала је 2000. године, када су Милер и његов колега Џон Данкан бранили изненађујући резултат студије когнитивних функција у Милеровој лабораторији. Када су животиње сортирале слике у категорије, чинило се да је регрутовано око 30 процената неурона у префронталном кортексу мозга. Скептици који су веровали да сваки неурон има наменску функцију исмевали су идеју да мозак може да посвети толико ћелија само једном задатку. Милеров и Данканов одговор је био да можда ћелије имају флексибилност да учествују у многим прорачунима. Способност да служе у једној можданој групи, као што је то чинила, није искључивала њихову способност да служе многим другим.

Али какву корист доноси мешовита селективност? Године 2013, Милер се удружио са два коаутора новог рада, Матијом Риготијем из IBM Research-а и Стефаном Фусијем са Универзитета Колумбија, како би показао како мешовита селективност даје мозгу снажну рачунарску флексибилност. У суштини, ансамбл неурона са мешовитом селективношћу може да прими много више димензија информација о задатку него популација неурона са фиксним функцијама.

„Од нашег првобитног рада, постигли смо напредак у разумевању теорије мешовите селективности кроз призму класичних идеја машинског учења“, рекао је Риготи. „С друге стране, питања важна за експериментаторе о механизмима који ово имплементирају на ћелијском нивоу била су релативно недовољно проучена. Ова сарадња и овај нови рад имају за циљ да попуне ту празнину.“

У новом раду, аутори замишљају миша који одлучује да ли да поједе бобицу. Можда мирише укусно (то је једна димензија). Можда је отровна (то је друга). Још једна димензија или две проблема могу доћи у облику друштвеног сигнала. Ако миш осети мирис бобице у даху другог миша, бобица је вероватно јестива (у зависности од очигледног здравственог стања другог миша). Неуронски ансамбл са мешовитом селективношћу могао би да интегрише све ово.

Привлачење неурона

Иако мешовиту селективност подржавају бројни докази – примећена је у целом кортексу и у другим деловима мозга као што су хипокампус и амигдала – остају отворена питања. На пример, како се неурони регрутују за задатке и како неурони који су тако широког погледа остају усмерени само на оно што је заиста критично за мисију?

У новој студији, истраживачи, укључујући Маркуса Бену са Калифорнијског универзитета у Сан Дијегу и Феликса Ташбаха из Института Салк, идентификују облике мешовите селективности које су истраживачи посматрали и тврде да када осцилације (познате и као „мождани таласи“) и неуромодулатори (хемикалије попут серотонина или допамина које утичу на неуронску функцију) регрутују неуроне у рачунарске ансамбле, они им такође помажу да „филтрирају“ оно што је важно за ту сврху.

Наравно, неки неурони се специјализују за одређени улаз, али аутори истичу да су они изузетак, а не правило. Ове ћелије, кажу аутори, имају „чисту селективност“. Њих занима само да ли зец види зелену салату. Неки неурони показују „линеарну мешовиту селективност“, што значи да њихов одговор предвидљиво зависи од збира више улаза (зец види зелену салату и осећа се гладним). Неурони који додају највећу флексибилност мерења су они са „нелинеарном мешовитом селективношћу“, који могу да објасне више независних променљивих без потребе да их све сабирају. Уместо тога, они могу да објасне читав скуп независних услова (нпр. има зелене салате, гладан сам, не чујем јастребове, не осећам мирис којота, али зелена салата је далеко и видим прилично чврсту ограду).

Шта привлачи неуроне да се фокусирају на значајне факторе, без обзира на то колико их има? Један механизам су осцилације, које се јављају у мозгу када многи неурони одржавају своју електричну активност у истом ритму. Ова координисана активност омогућава дељење информација, у суштини их подешавајући заједно, попут групе аутомобила који сви пуштају исту радио станицу (можда пренос јастреба који кружи изнад главе). Још један механизам који аутори истичу су неуромодулатори. То су хемикалије које, када доспеју до рецептора унутар ћелија, такође могу утицати на њихову активност. На пример, пораст ацетилхолина може слично подесити неуроне са одговарајућим рецепторима на одређену активност или информацију (можда осећај глади).

„Ова два механизма вероватно раде заједно како би динамички формирала функционалне мреже“, пишу аутори.

Разумевање мешовите селективности, настављају они, кључно је за разумевање когниције.

„Мешовита селективност је свеприсутна“, закључују они. „Присутна је код свих врста и служи функцијама које се крећу од когниције високог нивоа до 'аутоматских' сензомоторних процеса као што је препознавање објеката. Широко распрострањена појава мешане селективности истиче њену фундаменталну улогу у пружању мозгу скалабилне процесорске снаге потребне за сложене мисли и акције.“

Детаљи студије доступни су на страници часописа CELL.