Η δύναμη της μικτής επιλεκτικότητας: Κατανόηση της λειτουργίας του εγκεφάλου και της γνώσης

Κάθε μέρα ο εγκέφαλός μας προσπαθεί να βελτιστοποιήσει μια ανταλλαγή: με πολλά γεγονότα που συμβαίνουν γύρω μας, και ταυτόχρονα πολλές εσωτερικές κινήσεις και αναμνήσεις, οι σκέψεις μας πρέπει να είναι ευέλικτες αλλά αρκετά εστιασμένες ώστε να καθοδηγούν όλα όσα πρέπει να κάνουμε. Σε μια νέα δημοσίευση στο περιοδικό Neuron, μια ομάδα νευροεπιστημόνων περιγράφει πώς ο εγκέφαλος επιτυγχάνει τη γνωστική ικανότητα να ενσωματώνει όλες τις σχετικές πληροφορίες χωρίς να κατακλύζεται από ό,τι δεν είναι σχετικό.

Οι συγγραφείς υποστηρίζουν ότι η ευελιξία πηγάζει από μια βασική ιδιότητα που παρατηρείται σε πολλούς νευρώνες: "μικτή επιλεκτικότητα". Ενώ πολλοί νευροεπιστήμονες πίστευαν προηγουμένως ότι κάθε κύτταρο είχε μόνο μια εξειδικευμένη λειτουργία, πιο πρόσφατα στοιχεία έδειξαν ότι πολλοί νευρώνες μπορούν να συμμετέχουν σε διαφορετικά υπολογιστικά σύνολα που λειτουργούν παράλληλα. Με άλλα λόγια, όταν ένα κουνέλι σκέφτεται να τσιμπήσει μαρούλι στον κήπο, ένας νευρώνας μπορεί να συμμετέχει όχι μόνο στο να κρίνει την πείνα του, αλλά και στο να ακούει ένα γεράκι από πάνω ή να μυρίζει ένα κογιότ στα δέντρα και να προσδιορίζει πόσο μακριά είναι το μαρούλι.. p>

Ο εγκέφαλος δεν είναι ένα multitasker, είπε ο συν-συγγραφέας Earl K. Miller, καθηγητής στο Picower Institute for Learning and Memory στο MIT και ένας από τους πρωτοπόρους της ιδέας της μικτής επιλεκτικότητας, αλλά πολλά κύτταρα έχουν την ικανότητα να συμμετέχουν σε πολλαπλές υπολογιστικές διαδικασίες (ουσιαστικά, «σκέψεις»). Στη νέα εργασία, οι συγγραφείς περιγράφουν συγκεκριμένους μηχανισμούς που χρησιμοποιεί ο εγκέφαλος για να στρατολογήσει νευρώνες για να εκτελέσει διάφορους υπολογισμούς και για να διασφαλίσει ότι αυτοί οι νευρώνες αντιπροσωπεύουν τον σωστό αριθμό διαστάσεων ενός πολύπλοκου προβλήματος.

Αυτοί οι νευρώνες εκτελούν πολλές λειτουργίες. Με μικτή επιλεκτικότητα είναι δυνατό να έχουμε έναν αντιπροσωπευτικό χώρο που να είναι τόσο περίπλοκος όσο χρειάζεται και όχι περισσότερο. Εδώ βρίσκεται η ευελιξία της γνωστικής λειτουργίας."

Earl K. Miller, καθηγητής στο Picower Institute for the Study of Learning and Memory στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης

Η συν-συγγραφέας Kaye Tai, καθηγήτρια στο Ινστιτούτο Salk και στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο, είπε ότι η μικτή επιλεκτικότητα μεταξύ των νευρώνων, ειδικά στον έσω προμετωπιαίο φλοιό, είναι το κλειδί για την ενεργοποίηση πολλών νοητικών ικανοτήτων.

"Το MPFC είναι σαν ένας ψίθυρος που αντιπροσωπεύει τόσες πολλές πληροφορίες μέσω εξαιρετικά ευέλικτων και δυναμικών συνόλων", είπε ο Tai. "Η μικτή επιλεκτικότητα είναι η ιδιότητα που μας δίνει την ευελιξία, τη γνωστική ικανότητα και τη δημιουργικότητά μας. Είναι το μυστικό για τη μεγιστοποίηση της επεξεργαστικής ισχύος, που είναι ουσιαστικά η βάση της νοημοσύνης."

Προέλευση της ιδέας

Η ιδέα της μικτής επιλεκτικότητας ξεκίνησε το 2000, όταν ο Μίλερ και ο συνάδελφός του Τζον Ντάνκαν υπερασπίστηκαν ένα εκπληκτικό αποτέλεσμα από την έρευνα για τη γνωστική λειτουργία στο εργαστήριο του Μίλερ. Όταν τα ζώα ταξινόμησαν τις εικόνες σε κατηγορίες, περίπου το 30 τοις εκατό των νευρώνων στον προμετωπιαίο φλοιό του εγκεφάλου φαινόταν να είναι ενεργοποιημένοι. Οι σκεπτικιστές που πίστευαν ότι κάθε νευρώνας είχε μια αποκλειστική λειτουργία χλεύαζαν την ιδέα ότι ο εγκέφαλος μπορούσε να αφιερώσει τόσα πολλά κύτταρα σε μία μόνο εργασία. Η απάντηση του Μίλερ και του Ντάνκαν ήταν ότι ίσως τα κύτταρα είχαν την ευελιξία να συμμετέχουν σε πολλούς υπολογισμούς. Η ικανότητα να υπηρετούν σε μια ομάδα εγκεφάλου, όπως ήταν, δεν απέκλειε την ικανότητά τους να υπηρετούν πολλές άλλες.

Τι οφέλη όμως αποφέρει η μικτή επιλεκτικότητα; Το 2013, ο Miller συνεργάστηκε με δύο συν-συγγραφείς μιας νέας εργασίας, τον Mattia Rigotti της IBM Research και τον Stefano Fusi του Πανεπιστημίου Columbia, για να δείξει πώς η μικτή επιλεκτικότητα προικίζει στον εγκέφαλο ισχυρή υπολογιστική ευελιξία. Ουσιαστικά, ένα σύνολο νευρώνων με μικτή επιλεκτικότητα μπορεί να φιλοξενήσει πολλές περισσότερες διαστάσεις πληροφοριών εργασίας από έναν πληθυσμό νευρώνων με αμετάβλητες λειτουργίες.

"Από την αρχική μας εργασία, έχουμε σημειώσει πρόοδο στην κατανόηση της θεωρίας της μικτής επιλεκτικότητας μέσω του φακού των ιδεών της κλασικής μηχανικής μάθησης", είπε ο Rigotti. "Από την άλλη πλευρά, ερωτήματα που είναι σημαντικά για τους πειραματιστές σχετικά με τους μηχανισμούς που το κάνουν αυτό σε κυτταρικό επίπεδο έχουν διερευνηθεί σχετικά ελάχιστα. Αυτή η συνεργασία και αυτή η νέα εργασία είχαν στόχο να καλύψουν αυτό το κενό."

Στη νέα εργασία, οι συγγραφείς παρουσιάζουν ένα ποντίκι που αποφασίζει αν θα φάει ένα μούρο. Μπορεί να μυρίζει υπέροχα (αυτή είναι μια διάσταση). Μπορεί να είναι δηλητηριώδες (αυτό είναι άλλο πράγμα). Μια άλλη ή δύο διαστάσεις του προβλήματος μπορεί να προκύψουν με τη μορφή ενός κοινωνικού σήματος. Εάν ένα ποντίκι μυρίσει ένα μούρο στην αναπνοή ενός άλλου ποντικιού, τότε το μούρο είναι πιθανώς βρώσιμο (ανάλογα με την φαινομενική υγεία του άλλου ποντικιού). Ένα νευρικό σύνολο με μικτή επιλεκτικότητα θα μπορεί να τα ενσωματώσει όλα αυτά.

Προσέλκυση νευρώνων

Αν και η μικτή επιλεκτικότητα υποστηρίζεται από άφθονα στοιχεία - έχει παρατηρηθεί σε όλο τον φλοιό και σε άλλες περιοχές του εγκεφάλου όπως ο ιππόκαμπος και η αμυγδαλή - παραμένουν ανοιχτά ερωτήματα. Για παράδειγμα, πώς στρατολογούνται οι νευρώνες σε εργασίες και πώς οι νευρώνες που είναι τόσο «ευρύ μυαλό» παραμένουν συντονισμένοι μόνο σε ό,τι είναι πραγματικά σημαντικό για την αποστολή;

Σε μια νέα μελέτη, ερευνητές, όπως ο Marcus Benna του UC San Diego και ο Felix Taschbach του Ινστιτούτου Salk, εντοπίζουν τις μορφές μεικτής επιλεκτικότητας που παρατήρησαν οι ερευνητές και υποστηρίζουν ότι όταν οι ταλαντώσεις (επίσης γνωστές ως "εγκεφαλικά κύματα") και οι νευροδιαμορφωτές ( χημικές ουσίες όπως η σεροτονίνη ή η ντοπαμίνη που επηρεάζουν τη νευρική λειτουργία) προσελκύουν νευρώνες σε υπολογιστικά σύνολα, τους βοηθούν επίσης να «φιλτράρουν» ό,τι είναι σημαντικό για αυτόν τον σκοπό.

Φυσικά, ορισμένοι νευρώνες είναι εξειδικευμένοι για μια συγκεκριμένη είσοδο, αλλά οι συγγραφείς σημειώνουν ότι αποτελούν την εξαίρεση και όχι τον κανόνα. Οι συγγραφείς λένε ότι αυτά τα κύτταρα έχουν «καθαρή επιλεκτικότητα». Τους νοιάζει μόνο αν το κουνέλι δει το μαρούλι. Μερικοί νευρώνες εμφανίζουν «γραμμική μικτή επιλεκτικότητα», που σημαίνει ότι η απόκρισή τους εξαρτάται προβλέψιμα από το άθροισμα πολλαπλών εισόδων (ένα κουνέλι βλέπει μαρούλι και αισθάνεται πεινασμένο). Οι νευρώνες που προσθέτουν τη μεγαλύτερη ευελιξία μέτρησης είναι εκείνοι με «μη γραμμική μικτή επιλεκτικότητα», οι οποίοι μπορούν να αντιπροσωπεύουν πολλαπλές ανεξάρτητες μεταβλητές χωρίς να χρειάζεται να αθροιστούν. Αντίθετα, μπορούν να λάβουν υπόψη μια ολόκληρη σειρά ανεξάρτητων συνθηκών (για παράδειγμα, υπάρχει μαρούλι, πεινάω, δεν ακούω γεράκια, δεν μυρίζω κογιότ, αλλά το μαρούλι είναι μακριά και μπορώ δείτε έναν αρκετά δυνατό φράκτη).

Λοιπόν, τι ελκύει τους νευρώνες να επικεντρωθούν σε σημαντικούς παράγοντες, ανεξάρτητα από το πόσοι είναι; Ένας μηχανισμός είναι η ταλάντωση, η οποία συμβαίνει στον εγκέφαλο όταν πολλοί νευρώνες διατηρούν την ηλεκτρική τους δραστηριότητα στον ίδιο ρυθμό. Αυτή η συντονισμένη δραστηριότητα επιτρέπει την κοινή χρήση πληροφοριών, ουσιαστικά συντονίζοντάς τες μαζί σαν μια ομάδα αυτοκινήτων που παίζουν όλα τον ίδιο ραδιοφωνικό σταθμό (ίσως μια εκπομπή ενός γερακιού που κάνει κύκλους από πάνω). Ένας άλλος μηχανισμός που τονίζουν οι συγγραφείς είναι οι νευροδιαμορφωτές. Πρόκειται για χημικές ουσίες που, όταν φτάσουν στους υποδοχείς μέσα στα κύτταρα, μπορούν επίσης να επηρεάσουν τη δραστηριότητά τους. Για παράδειγμα, ένα κύμα ακετυλοχολίνης μπορεί παρομοίως να ενεργοποιήσει τους νευρώνες με αντίστοιχους υποδοχείς για μια συγκεκριμένη δραστηριότητα ή πληροφορίες (ίσως το αίσθημα της πείνας).

"Αυτοί οι δύο μηχανισμοί πιθανότατα συνεργάζονται για να σχηματίσουν δυναμικά λειτουργικά δίκτυα", γράφουν οι συγγραφείς.

Η κατανόηση της μικτής επιλεκτικότητας, συνεχίζουν, είναι κρίσιμη για την κατανόηση της γνωστικής λειτουργίας.

"Η μικτή επιλεκτικότητα είναι πανταχού παρούσα", καταλήγουν. "Είναι παρούσα σε όλα τα είδη και εξυπηρετεί μια ποικιλία λειτουργιών από τη γνωστική ικανότητα υψηλού επιπέδου έως τις "αυτόματες" αισθητηριοκινητικές διεργασίες, όπως η αναγνώριση αντικειμένων. Η ευρεία εμφάνιση της μεικτής επιλεκτικότητας υπογραμμίζει τον θεμελιώδη ρόλο της στην παροχή στον εγκέφαλο με την επεκτάσιμη επεξεργαστική ισχύ που απαιτείται για πολύπλοκα σκέψεις και πράξεις." p>

Διαβάστε περισσότερα σχετικά με τη μελέτη στο περιοδικό CELL