Kiekvieną dieną mūsų smegenys stengiasi optimizuoti kompromisą: aplinkui vykstant daugybei dalykų, net jei turime daug vidinių paskatų ir prisiminimų, mūsų mintys turi būti lanksčios, tačiau pakankamai susikaupusios, kad vadovautume viskam, ką turime daryti. Naujame leidinyje neuronas, Neurologų komanda aprašo, kaip smegenys pasiekia pažinimo gebėjimą įtraukti visą svarbią informaciją, neapsunkindamos to, kas nėra.
Autoriai teigia, kad lankstumas atsiranda dėl pagrindinės savybės, pastebėtos daugelyje neuronų: „mišrus selektyvumas“. Nors daugelis neurologų manė, kad kiekviena ląstelė turi tik vieną tam skirtą funkciją, naujesni įrodymai parodė, kad daugelis neuronų gali dalyvauti įvairiuose skaičiavimo ansambliuose, kurių kiekvienas veikia lygiagrečiai.
Kitaip tariant, kai triušis svarsto sode graužti salotas, vienas neuronas gali būti įtrauktas ne tik įvertinant, kaip jis jaučiasi alkanas, bet ir ar jis gali išgirsti virš galvos skleidžiantį vanagą, užuosti kojoto kvapą medžiuose ir kaip toli. salotos yra.
Smegenys neatlieka kelių užduočių, sakė vienas iš straipsnio autorių Earl K. Miller, Picower'io profesorius iš Pikoverio mokymosi ir atminties instituto MIT ir mišraus selektyvumo idėjos pradininkas, tačiau daugelis ląstelių gali būti sujungtos į daugybę skaičiavimų. pastangos (iš esmės „mintys“). Naujajame dokumente autoriai aprašo konkrečius mechanizmus, kuriuos smegenys naudoja įdarbindamos neuronus į skirtingus skaičiavimus ir užtikrindamos, kad šie neuronai atitiktų reikiamą sudėtingos užduoties matmenų skaičių.
„Šie neuronai dėvi kelias skrybėles”, – sakė Milleris. „Naudodami mišrų selektyvumą galite turėti reprezentacinę erdvę, kuri yra tokia sudėtinga, kokia turi būti, bet ne sudėtingesnė. Būtent tai yra lankstus pažinimas.”
Bendraautorius Kay Tye, Salko instituto ir Kalifornijos universiteto San Diege profesorius, teigė, kad mišrus neuronų selektyvumas, ypač medialinėje prefrontalinėje žievėje, yra labai svarbus daugeliui protinių gebėjimų.
„MPFC yra tarsi šnabždesio ūžesys, kuris per labai lanksčius ir dinamiškus ansamblius pateikia tiek daug informacijos“, – sakė Tye. „Mišrus selektyvumas yra savybė, suteikianti mums lankstumo, pažinimo pajėgumų ir gebėjimo būti kūrybingiems. Tai yra paslaptis, kaip maksimaliai padidinti skaičiavimo galią, kuri iš esmės yra intelekto pagrindas.”
Idėjos ištakos
Mišraus selektyvumo idėja kilo 2000 m., kai Milleris ir jo kolega Johnas Duncanas apgynė nuostabų pažinimo tyrimo rezultatą Millerio laboratorijoje. Kai gyvūnai rūšiavo vaizdus į kategorijas, atrodė, kad dalyvauja apie 30% smegenų prefrontalinės žievės neuronų.
Skeptikai, manantys, kad kiekvienas neuronas turi tam skirtą funkciją, šaipėsi, kad smegenys skirs tiek daug ląstelių tik vienai užduočiai. Milleris ir Duncanas atsakė, kad galbūt ląstelės turėjo lankstumo dalyvauti daugelyje skaičiavimų. Galimybė tarnauti vienoje smegenų darbo grupėje netrukdė jiems tarnauti daugeliui kitų.
Bet kokią naudą duoda mišrus selektyvumas? 2013 m. Milleris bendradarbiavo su dviem naujojo straipsnio bendraautoriais Mattia Rigotti iš IBM tyrimų ir Stefano Fusi iš Kolumbijos universiteto, siekdamas parodyti, kaip mišrus selektyvumas suteikia smegenims galingą skaičiavimo lankstumą. Iš esmės mišraus selektyvumo neuronų ansamblis gali talpinti daug daugiau informacijos apie užduotį nei neuronų, turinčių nekintamas funkcijas, populiacija.
„Nuo mūsų pradinio darbo mes padarėme pažangą suprasdami mišraus selektyvumo teoriją per klasikinių mašininio mokymosi idėjų objektyvą“, – sakė Rigotti. „Kita vertus, eksperimentalams brangūs klausimai apie mechanizmus, kuriais tai įgyvendinama ląstelių lygiu, buvo palyginti nepakankamai išnagrinėti. Šis bendradarbiavimas ir šis naujas dokumentas buvo skirtas užpildyti šią spragą.”
Naujajame darbe autoriai įsivaizduoja pelę, kuri svarsto, ar valgyti uogą. Jis gali skaniai kvepėti (tai vienas aspektas). Jis gali būti nuodingas (tai kitas). Dar vienas ar du problemos aspektai gali būti socialinio užuominos forma. Jei pelė užuodžia uogų kvapą iš kitos pelės kvėpavimo, uogą tikriausiai galima valgyti (atsižvelgiant į tariamą pelės kolegos sveikatos būklę). Mišraus selektyvumo neuronų ansamblis galėtų visa tai integruoti.
Neuronų įdarbinimas
Nors mišrus selektyvumas yra pagrįstas daugybe įrodymų – jis buvo pastebėtas visoje žievėje ir kitose smegenų srityse, tokiose kaip hipokampas ir migdolinis kūnas – vis dar lieka atvirų klausimų. Pavyzdžiui, kaip neuronai įdarbinami atlikti užduotis ir kaip tokie „atviri“ neuronai gali prisitaikyti tik prie to, kas iš tikrųjų svarbu misijai?
Naujajame tyrime mokslininkai, tarp kurių taip pat yra Marcusas Benna iš UC San Diego ir Felixas Taschbachas iš Salko instituto, apibrėžia tyrėjų pastebėtas mišraus selektyvumo formas ir teigia, kad kai svyravimai (taip pat žinomi kaip „smegenų bangos“) ir neuromoduliatoriai (cheminės medžiagos, tokios kaip serotoninas ar dopaminas, turinčios įtakos nervų funkcijai) įtraukia neuronus į skaičiavimo kompleksus, jie taip pat padeda jiems „uždaryti“ tai, kas svarbu šiam tikslui.
Be abejo, kai kurie neuronai yra skirti konkrečiai įvestiei, tačiau autoriai pažymi, kad tai yra išimtis, o ne taisyklė. Autoriai teigia, kad šios ląstelės turi „gryną selektyvumą“. Jiems rūpi tik tai, ar triušis pamato salotas. Kai kurie neuronai pasižymi „linijiniu mišriu selektyvumu“, o tai reiškia, kad jų atsakas nuspėjamai priklauso nuo kelių sumavimo (triušis mato salotas ir jaučiasi alkanas).
Neuronai, kurie suteikia daugiausiai lankstumo matmenų, yra „netiesinis mišrus selektyvumas“, kurie gali atsižvelgti į kelis nepriklausomus kintamuosius, nebūtinai juos sumuojant. Vietoj to, jie gali sverti daugybę nepriklausomų sąlygų (pvz., yra salotų, aš alkanas, negirdžiu vanagų, nejaučiu kojotų kvapo, bet salotos yra toli ir matau gana tvirtą tvorą).
Taigi, kas paskatina neuronus sutelkti dėmesį į svarbiausius veiksnius, kad ir kaip daug jų būtų? Vienas iš mechanizmų yra virpesiai, atsirandantys smegenyse, kai daugelis neuronų palaiko savo elektrinį aktyvumą tuo pačiu ritmu. Ši koordinuota veikla leidžia dalytis informacija, iš esmės suderinant juos kaip krūvą automobilių, grojančių tą pačią radijo stotį (galbūt transliacija yra apie virš galvos besisukantį vanagą).
Kitas mechanizmas, kurį pabrėžia autoriai, yra neuromoduliatoriai. Tai cheminės medžiagos, kurios, pasiekusios ląstelėse esančius receptorius, taip pat gali paveikti jų veiklą. Pavyzdžiui, acetilcholino pliūpsnis gali panašiai suderinti neuronus su reikiamais receptoriais tam tikrai veiklai ar informacijai (pvz., alkio jausmui).
„Šie du mechanizmai greičiausiai veikia kartu, kad dinamiškai suformuotų funkcinius tinklus“, – rašo autoriai.
Mišraus selektyvumo supratimas, jie ir toliau, yra labai svarbus norint suprasti pažinimą.
„Mišrus selektyvumas yra visur“, – daro išvadą. „Jis būdingas skirtingoms rūšims ir funkcijoms nuo aukšto lygio pažinimo iki „automatinių” sensorinių procesų, tokių kaip objektų atpažinimas. Plačiai paplitęs mišrus selektyvumas pabrėžia jo pagrindinį vaidmenį suteikiant smegenims keičiamo dydžio apdorojimo galią, reikalingą sudėtingam mąstymui ir veiksmui. “.