Kraften i blandet selektivitet: forstå hjernens funktion og kognition

Hver dag stræber vores hjerner efter at optimere en afvejning: med så mange begivenheder, der sker omkring os, og samtidig så mange indre drifter og minder, skal vores tanker være fleksible, men fokuserede nok til at guide alt, hvad vi skal gøre. I en ny artikel i tidsskriftet Neuron beskriver et team af neuroforskere, hvordan hjernen opnår den kognitive evne til at integrere al relevant information uden at blive overvældet af det, der ikke betyder noget.

Forfatterne argumenterer for, at denne fleksibilitet stammer fra en nøgleegenskab, der observeres i mange neuroner: "blandet selektivitet". Mens mange neuroforskere tidligere troede, at hver celle kun havde én specialiseret funktion, har nyere beviser vist, at mange neuroner kan deltage i forskellige beregningsensembler, der arbejder parallelt. Med andre ord, når en kanin overvejer at nippe til noget salat i haven, kan en enkelt neuron være involveret ikke kun i at vurdere dens sult, men også i at høre en høg over hovedet eller lugte en prærieulv i træerne og bedømme, hvor langt væk salaten er.

Hjernen multitasker ikke, sagde artiklens medforfatter Earl K. Miller, professor ved Picower Institute for the Study of Learning and Memory på MIT og en af pionererne inden for ideen om blandet selektivitet, men mange celler har evnen til at udføre flere beregninger (i bund og grund "tanker"). I den nye artikel beskriver forfatterne de specifikke mekanismer, hjernen bruger til at rekruttere neuroner til forskellige beregninger og til at sikre, at disse neuroner repræsenterer det rigtige antal dimensioner af en kompleks opgave.

Disse neuroner udfører mange funktioner. Med blandet selektivitet kan man have et repræsentationsrum, der er så komplekst, som man har brug for, og ikke mere. Det er her, fleksibiliteten i den kognitive funktion ligger."

Earl K. Miller, professor, Picower Institute for the Study of Learning and Memory, Massachusetts Institute of Technology

Medforfatter Kay Tai, professor ved Salk Institute og University of California, San Diego, sagde, at blandet selektivitet blandt neuroner, især i den mediale præfrontale cortex, er nøglen til at muliggøre mange mentale evner.

"MPFC er som en hvisken, der repræsenterer så meget information gennem meget fleksible og dynamiske ensembler," sagde Tai. "Blandet selektivitet er den egenskab, der giver os vores fleksibilitet, kognitive evner og kreativitet. Det er hemmeligheden bag at maksimere beregningskraften, hvilket i bund og grund er grundlaget for intelligens."

Ideens oprindelse

Ideen om blandet selektivitet startede i 2000, da Miller og hans kollega John Duncan forsvarede et overraskende resultat fra en undersøgelse af kognitiv funktion i Millers laboratorium. Når dyr sorterede billeder i kategorier, syntes omkring 30 procent af neuronerne i hjernens præfrontale cortex at være rekrutteret. Skeptikere, der troede, at hver neuron havde en dedikeret funktion, fnøs ved tanken om, at hjernen kunne dedikere så mange celler til blot én opgave. Miller og Duncans svar var, at cellerne måske havde fleksibiliteten til at deltage i mange beregninger. Evnen til at tjene i én hjernegruppe, som den gjorde, udelukkede ikke deres evne til at tjene mange andre.

Men hvilken fordel giver blandet selektivitet? I 2013 slog Miller sig sammen med to medforfattere til den nye artikel, Mattia Rigotti fra IBM Research og Stefano Fusi fra Columbia University, for at vise, hvordan blandet selektivitet giver hjernen stærk beregningsmæssig fleksibilitet. I bund og grund kan et ensemble af neuroner med blandet selektivitet rumme mange flere dimensioner af information om en opgave end en population af neuroner med faste funktioner.

"Siden vores oprindelige arbejde har vi gjort fremskridt i forståelsen af teorien om blandet selektivitet set fra klassiske maskinlæringsideer," sagde Rigotti. "På den anden side har spørgsmål, der er vigtige for eksperimentatorer om de mekanismer, der implementerer dette på celleniveau, været relativt understuderede. Dette samarbejde og denne nye artikel sigter mod at udfylde dette hul."

I den nye artikel forestiller forfatterne sig en mus, der beslutter, om den skal spise et bær. Det kan dufte lækkert (det er én dimension). Det kan være giftigt (det er en anden). En eller to andre dimensioner af problemet kan komme i form af et socialt signal. Hvis en mus lugter et bær på en anden mus' åndedræt, er bæret sandsynligvis spiseligt (afhængigt af den anden mus' tilsyneladende helbred). Et neuralt ensemble med blandet selektivitet kunne integrere alt dette.

Tiltrækning af neuroner

Selvom blandet selektivitet understøttes af rigeligt bevismateriale – det er blevet observeret i hele cortex og i andre hjerneområder såsom hippocampus og amygdala – er der stadig åbne spørgsmål. For eksempel, hvordan rekrutteres neuroner til opgaver, og hvordan forbliver neuroner, der er så frisindede, indstillet på kun det, der virkelig er missionskritisk?

I den nye undersøgelse identificerer forskere, herunder Marcus Benna fra UC San Diego og Felix Taschbach fra Salk Institute, de former for blandet selektivitet, som forskerne observerede, og argumenterer for, at når oscillationer (også kendt som "hjernebølger") og neuromodulatorer (kemikalier som serotonin eller dopamin, der påvirker neural funktion) rekrutterer neuroner til beregningsensembler, hjælper de dem også med at "filtrere", hvad der er vigtigt til det formål.

Nogle neuroner specialiserer sig selvfølgelig i et bestemt input, men forfatterne påpeger, at de er undtagelsen, ikke reglen. Disse celler, siger forfatterne, har "ren selektivitet". De er kun interesserede i, om kaninen ser salat. Nogle neuroner udviser "lineær blandet selektivitet", hvilket betyder, at deres respons forudsigeligt afhænger af summen af flere input (kaninen ser salat og føler sig sulten). De neuroner, der tilføjer mest målefleksibilitet, er dem med "ikke-lineær blandet selektivitet", som kan tage højde for flere uafhængige variabler uden at skulle summere dem alle sammen. I stedet kan de tage højde for et helt sæt uafhængige betingelser (f.eks. der er salat, jeg er sulten, jeg kan ikke høre høge, jeg kan ikke lugte prærieulve, men salaten er langt væk, og jeg kan se et ret robust hegn).

Så hvad tiltrækker neuroner til at fokusere på meningsfulde faktorer, uanset hvor mange der er? En mekanisme er oscillationer, som opstår i hjernen, når mange neuroner opretholder deres elektriske aktivitet i samme rytme. Denne koordinerede aktivitet gør det muligt at dele information, hvilket i bund og grund stemmer dem sammen, ligesom en gruppe biler, der alle spiller den samme radiostation (måske en udsendelse af en høg, der cirkler over hovedet). En anden mekanisme, som forfatterne fremhæver, er neuromodulatorer. Disse er kemikalier, der, når de når receptorer inde i celler, også kan påvirke deres aktivitet. For eksempel kan en stigning i acetylcholin på lignende måde justere neuroner med de passende receptorer til en bestemt aktivitet eller information (måske følelsen af sult).

"Disse to mekanismer arbejder sandsynligvis sammen for dynamisk at danne funktionelle netværk," skriver forfatterne.

De fortsætter med at forstå blandet selektivitet er afgørende for at forstå kognition.

"Blandet selektivitet er allestedsnærværende," konkluderer de. "Den er til stede på tværs af arter og udfører funktioner lige fra kognition på højt niveau til 'automatiske' sensorimotoriske processer såsom objektgenkendelse. Den udbredte forekomst af blandet selektivitet fremhæver dens grundlæggende rolle i at forsyne hjernen med den skalerbare processorkraft, der kræves til kompleks tanke og handling."

Detaljer om studiet er tilgængelige på CELL-tidsskriftets side