Η δύναμη της μικτής επιλεκτικότητας: κατανόηση της εγκεφαλικής λειτουργίας και της νόησης

Κάθε μέρα, ο εγκέφαλός μας προσπαθεί να βελτιστοποιήσει έναν συμβιβασμό: με τόσα πολλά γεγονότα που συμβαίνουν γύρω μας και ταυτόχρονα τόσες πολλές εσωτερικές παρορμήσεις 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 έχει σημασία.

Οι συγγραφείς υποστηρίζουν ότι αυτή η ευελιξία πηγάζει από μια βασική ιδιότητα που παρατηρείται σε πολλούς νευρώνες: τη «μικτή επιλεκτικότητα». Ενώ πολλοί νευροεπιστήμονες προηγουμένως πίστευαν ότι κάθε κύτταρο είχε μόνο μία εξειδικευμένη λειτουργία, πιο πρόσφατα στοιχεία έχουν δείξει ότι πολλοί νευρώνες μπορούν να συμμετέχουν σε διαφορετικά υπολογιστικά σύνολα που λειτουργούν παράλληλα. Με άλλα λόγια, όταν ένα κουνέλι σκέφτεται να τσιμπολογήσει λίγο μαρούλι στον κήπο, ένας μόνο νευρώνας μπορεί να εμπλέκεται όχι μόνο στην αξιολόγηση της πείνας του, αλλά και στο να ακούει ένα γεράκι από πάνω ή να μυρίζει ένα κογιότ στα δέντρα και να κρίνει πόσο μακριά βρίσκεται το μαρούλι.

Ο εγκέφαλος δεν κάνει πολλά πράγματα ταυτόχρονα, δήλωσε ο Earl K. Miller, καθηγητής στο Ινστιτούτο Picower για τη Μελέτη της Μάθησης και της Μνήμης στο MIT και ένας από τους πρωτοπόρους της ιδέας της μικτής επιλεκτικότητας, αλλά πολλά κύτταρα έχουν την ικανότητα να συμμετέχουν σε πολλαπλούς υπολογισμούς (ουσιαστικά, «σκέψεις»). Στη νέα εργασία, οι συγγραφείς περιγράφουν τους συγκεκριμένους μηχανισμούς που χρησιμοποιεί ο εγκέφαλος για να στρατολογήσει νευρώνες σε διαφορετικούς υπολογισμούς και να διασφαλίσει ότι αυτοί οι νευρώνες αντιπροσωπεύουν τον σωστό αριθμό διαστάσεων μιας σύνθετης εργασίας.

Αυτοί οι νευρώνες εκτελούν πολλές λειτουργίες. Με τη μικτή επιλεκτικότητα, μπορείτε να έχετε έναν αναπαραστατικό χώρο που είναι τόσο πολύπλοκος όσο τον χρειάζεστε, και τίποτα περισσότερο. Εκεί έγκειται η ευελιξία της γνωστικής λειτουργίας.

Earl K. Miller, Καθηγητής, Ινστιτούτο Picower για τη Μελέτη της Μάθησης και της Μνήμης, Τεχνολογικό Ινστιτούτο Μασαχουσέτης

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

«Το MPFC είναι σαν ένας ψίθυρος που αναπαριστά τόσες πολλές πληροφορίες μέσα από εξαιρετικά ευέλικτα και δυναμικά σύνολα», 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 υπολογιστικής ισχύος, η οποία ουσιαστικά αποτελεί τη 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 μια μελέτη της γνωστικής λειτουργίας στο εργαστήριο του Μίλερ. Όταν τα ζώα ταξινόμησαν εικόνες σε κατηγορίες, περίπου το 30% των νευρώνων στον προμετωπιαίο φλοιό του εγκεφάλου φάνηκε να στρατολογούνται. Οι σκεπτικιστές που πίστευαν ότι κάθε νευρώνας είχε μια ειδική λειτουργία χλεύασαν την ιδέα ότι ο εγκέφαλος μπορούσε να αφιερώσει τόσα πολλά κύτταρα σε μία μόνο εργασία. Η απάντηση των Μίλερ και Ντάνκαν ήταν ότι ίσως τα κύτταρα είχαν την ευελιξία να συμμετέχουν σε πολλούς υπολογισμούς. Η ικανότητα να εξυπηρετούν μια ομάδα εγκεφάλου, όπως και έγινε, δεν απέκλειε την ικανότητά τους να εξυπηρετούν πολλές άλλες.

Αλλά ποιο είναι το όφελος που προσφέρει η μικτή επιλεκτικότητα; Το 2013, ο Miller συνεργάστηκε με δύο συν-συγγραφείς της νέας εργασίας, τον Mattia Rigotti της IBM Research και τον Stefano Fusi του Πανεπιστημίου Columbia, για να δείξει πώς η μικτή επιλεκτικότητα προσφέρει στον εγκέφαλο ισχυρή υπολογιστική ευελιξία. Στην ουσία, ένα σύνολο νευρώνων με μικτή επιλεκτικότητα μπορεί να φιλοξενήσει πολύ περισσότερες διαστάσεις πληροφοριών σχετικά με μια εργασία από έναν πληθυσμό νευρώνων με σταθερές λειτουργίες.

«Από την αρχική μας εργασία, έχουμε σημειώσει πρόοδο στην κατανόηση της θεωρίας της μικτής επιλεκτικότητας μέσα από το πρίσμα των κλασικών ιδεών μηχανικής μάθησης», δήλωσε ο Rigotti. «Από την άλλη πλευρά, ερωτήματα σημαντικά για τους πειραματιστές σχετικά με τους μηχανισμούς που την εφαρμόζουν σε κυτταρικό επίπεδο έχουν σχετικά υπομελετηθεί. Αυτή η συνεργασία και αυτή η νέα εργασία στοχεύουν να καλύψουν αυτό το κενό».

Στη νέα εργασία, οι συγγραφείς φαντάζονται ένα ποντίκι να αποφασίζει αν θα φάει ένα μούρο. Μπορεί να μυρίζει υπέροχα (αυτή είναι η μία διάσταση). Μπορεί να είναι δηλητηριώδες (αυτή είναι η άλλη). Μια ή δύο άλλες διαστάσεις του προβλήματος μπορεί να εμφανιστούν με τη μορφή κοινωνικού σήματος. Εάν ένα ποντίκι μυρίσει ένα μούρο στην αναπνοή ενός άλλου ποντικιού, το μούρο είναι πιθανώς βρώσιμο (ανάλογα με την φαινομενική υγεία του άλλου ποντικιού). Ένα νευρωνικό σύνολο με μικτή επιλεκτικότητα θα μπορούσε να ενσωματώσει όλα αυτά.

Προσέλκυση νευρώνων

Ενώ 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 οι νευρώνες στρατολογούνται για εργασίες και πώς οι νευρώνες που είναι τόσο ανοιχτόμυαλοι παραμένουν συντονισμένοι μόνο σε ό,τι είναι πραγματικά κρίσιμο για την αποστολή τους;

Στη νέα μελέτη, ερευνητές, συμπεριλαμβανομένων των Marcus Benna του UC San Diego και Felix Taschbach του Salk Institute, προσδιορίζουν τις μορφές μικτής επιλεκτικότητας που παρατήρησαν οι ερευνητές και υποστηρίζουν ότι όταν οι ταλαντώσεις (γνωστές και ως «εγκεφαλικά κύματα») και οι νευροδιαμορφωτές (χημικές ουσίες όπως η σεροτονίνη ή η ντοπαμίνη που επηρεάζουν τη νευρωνική λειτουργία) στρατολογούν νευρώνες σε υπολογιστικά σύνολα, τους βοηθούν επίσης να «φιλτράρουν» ό,τι είναι σημαντικό για τον σκοπό αυτό.

Φυσικά, ορισμένοι νευρώνες ειδικεύονται σε μια συγκεκριμένη είσοδο, αλλά οι συγγραφείς επισημαίνουν ότι αποτελούν την εξαίρεση, όχι τον κανόνα. Αυτά τα κύτταρα, λένε οι συγγραφείς, έχουν «καθαρή επιλεκτικότητα». Τους ενδιαφέρει μόνο αν το κουνέλι βλέπει μαρούλι. Μερικοί νευρώνες εμφανίζουν «γραμμική μικτή επιλεκτικότητα», που σημαίνει ότι η απόκρισή τους εξαρτάται προβλέψιμα από το άθροισμα πολλαπλών εισόδων (το κουνέλι βλέπει μαρούλι και πεινάει). Οι νευρώνες που προσθέτουν τη μεγαλύτερη ευελιξία μέτρησης είναι εκείνοι με «μη γραμμική μικτή επιλεκτικότητα», οι οποίοι μπορούν να λάβουν υπόψη πολλαπλές ανεξάρτητες μεταβλητές χωρίς να χρειάζεται να τις αθροίσουν όλες μαζί. Αντίθετα, μπορούν να λάβουν υπόψη ένα ολόκληρο σύνολο ανεξάρτητων συνθηκών (π.χ., υπάρχει μαρούλι, πεινάω, δεν μπορώ να ακούσω γεράκια, δεν μπορώ να μυρίσω κογιότ, αλλά το μαρούλι είναι μακριά και μπορώ να δω έναν αρκετά στιβαρό φράχτη).

Τι έλκει, λοιπόν, τους νευρώνες να εστιάζουν σε σημαντικούς παράγοντες, ανεξάρτητα από το πόσοι είναι; Ένας μηχανισμός είναι οι ταλαντώσεις, οι οποίες συμβαίνουν στον εγκέφαλο όταν πολλοί νευρώνες διατηρούν την ηλεκτρική τους δραστηριότητα στον ίδιο ρυθμό. Αυτή η συντονισμένη δραστηριότητα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών, ουσιαστικά συντονίζοντάς τες μεταξύ τους, σαν μια ομάδα αυτοκινήτων που παίζουν όλα τον ίδιο ραδιοφωνικό σταθμό (ίσως μια μετάδοση ενός γερακιού που κάνει κύκλους από πάνω). Ένας άλλος μηχανισμός που επισημαίνουν οι συγγραφείς είναι οι νευροτροποποιητές. Αυτές είναι χημικές ουσίες που, όταν φτάσουν σε υποδοχείς μέσα στα κύτταρα, μπορούν επίσης να επηρεάσουν τη δραστηριότητά τους. Για παράδειγμα, μια απότομη αύξηση της ακετυλοχολίνης μπορεί ομοίως να συντονίσει τους νευρώνες με τους κατάλληλους υποδοχείς σε μια συγκεκριμένη δραστηριότητα ή πληροφορία (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 λειτουργίες που κυμαίνονται από τη γνωστική λειτουργία υψηλού επιπέδου έως τις «αυτόματες» αισθητικοκινητικές διεργασίες, όπως η αναγνώριση αντικειμένων. Η εκτεταμένη εμφάνιση της μικτής επιλεκτικότητας υπογραμμίζει τον θεμελιώδη ρόλο της στην παροχή στον εγκέφαλο της κλιμακωτής επεξεργαστικής ισχύος που απαιτείται για σύνθετη σκέψη και δράση».

Λεπτομέρειες της μελέτης είναι διαθέσιμες στη σελίδα του περιοδικού CELL