Styrken ved blandet selektivitet: Forståelse af hjernefunktion og kognition

Hver dag stræber vores hjerne efter at optimere en afvejning: Med mange begivenheder, der sker omkring os, og samtidig mange interne drifter og minder, skal vores tanker være fleksible, men fokuserede nok til at guide alt, hvad vi skal gøre. I et nyt papir i tidsskriftet Neuron beskriver et team af neurovidenskabsmænd, hvordan hjernen opnår den kognitive evne til at integrere al relevant information uden at blive overvældet af det, der ikke er relevant.

Forfatterne hævder, at fleksibilitet stammer fra en nøgleegenskab, der observeres i mange neuroner: "blandet selektivitet." Mens mange neurovidenskabsmænd 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 nappe salat i haven, kan en neuron være involveret ikke kun i at bedømme dens sult, men også i at høre en høg over hovedet eller lugte en prærieulv i træerne og bestemme, hvor langt væk salaten er.. p>

Hjernen er ikke en multitasker, sagde medforfatter Earl K. Miller, professor ved Picower Institute for Learning and Memory ved MIT og en af pionererne bag ideen om blandet selektivitet, men mange celler har evnen at engagere sig i flere beregningsprocesser (i det væsentlige "tanker"). I det nye papir beskriver forfatterne specifikke mekanismer, som hjernen bruger til at rekruttere neuroner til at udføre forskellige beregninger og for at sikre, at disse neuroner repræsenterer det korrekte antal dimensioner af et komplekst problem.

Disse neuroner udfører mange funktioner. Med blandet selektivitet er det muligt at få et repræsentativt rum, der er så komplekst, som det behøver at være og ikke mere. Det er her den kognitive funktions fleksibilitet ligger."

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

Medforfatter Kaye 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 evne og kreativitet. Det er hemmeligheden bag maksimering af processorkraft, som i bund og grund er grundlaget for intelligens."

Idéens oprindelse

Ideen om blandet selektivitet opstod i 2000, da Miller og hans kollega John Duncan forsvarede et overraskende resultat fra forskning i kognitiv funktion i Millers laboratorium. Da dyrene sorterede billederne i kategorier, så omkring 30 procent af neuronerne i hjernens præfrontale cortex ud til at være aktiveret. Skeptikere, der mente, at hver neuron havde en dedikeret funktion, hånede tanken om, at hjernen kunne dedikere så mange celler til kun én opgave. Miller og Duncans svar var, at celler måske havde fleksibiliteten til at deltage i mange beregninger. Evnen til at tjene i én hjernegruppe, som den var, udelukkede ikke deres evne til at tjene mange andre.

Men hvilke fordele giver blandet selektivitet? I 2013 slog Miller sig sammen med to medforfattere til et nyt papir, Mattia Rigotti fra IBM Research og Stefano Fusi fra Columbia University, for at vise, hvordan blandet selektivitet giver hjernen kraftfuld beregningsfleksibilitet. I bund og grund kan et ensemble af neuroner med blandet selektivitet rumme mange flere dimensioner af opgaveinformation end en population af neuroner med invariante funktioner.

"Siden vores første arbejde har vi gjort fremskridt med at forstå teorien om blandet selektivitet gennem linsen af klassiske maskinlæringsideer," sagde Rigotti. "På den anden side er spørgsmål, der er vigtige for eksperimentelister om de mekanismer, der gør dette på celleniveau, blevet undersøgt relativt lidt. Dette samarbejde og dette nye papir havde til formål at udfylde dette hul."

I det nye papir præsenterer forfatterne en mus, der beslutter, om de vil spise et bær. Hun kan lugte lækkert (det er én dimension). Det kan være giftigt (det er en anden ting). En anden dimension eller to af problemet kan opstå i form af et socialt signal. Hvis en mus lugter et bær i en anden muss ånde, så er bæret sandsynligvis spiseligt (afhængigt af den anden muss tilsyneladende helbred). Et neuralt ensemble med blandet selektivitet vil være i stand til at integrere alt dette.

Tiltrækning af neuroner

Selvom blandet selektivitet understøttes af rigelige beviser - det er blevet observeret i hele cortex og i andre hjerneområder såsom hippocampus og amygdala - er der stadig åbne spørgsmål. For eksempel, hvordan bliver neuroner rekrutteret til opgaver, og hvordan forbliver neuroner, der er så "bredsindede", kun tunet ind på det, der virkelig er vigtigt for missionen?

I et nyt studie identificerer forskere inklusive 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 svingninger (også kendt som "hjernebølger") og neuromodulatorer ( kemiske stoffer såsom serotonin eller dopamin, der påvirker neurale funktion) tiltrækker neuroner til beregningsensembler, de hjælper dem også med at "filtrere", hvad der er vigtigt til dette formål.

Selvfølgelig er nogle neuroner specialiserede til et bestemt input, men forfatterne bemærker, at de er undtagelsen, ikke reglen. Forfatterne siger, at disse celler har "ren selektivitet." De er kun ligeglade, hvis kaninen ser salaten. Nogle neuroner udviser "lineær blandet selektivitet", hvilket betyder, at deres respons afhænger forudsigeligt af summen af flere input (en kanin ser salat og føler sig sulten). De neuroner, der tilføjer den største målefleksibilitet, er dem med "ikke-lineær blandet selektivitet", som kan tage højde for flere uafhængige variabler uden at skulle summere dem. I stedet kan de tage højde for en hel række selvstændige forhold (der er f.eks. Salat, jeg er sulten, jeg hører ingen høge, jeg lugter ikke prærieulve, men salaten er langt væk, og jeg kan se et ret stærkt hegn).

Så, hvad tiltrækker neuroner til at fokusere på væsentlige faktorer, uanset hvor mange der er? En mekanisme er oscillation, som opstår i hjernen, når mange neuroner opretholder deres elektriske aktivitet i samme rytme. Denne koordinerede aktivitet gør det muligt at dele information, i det væsentlige tuner dem sammen som en gruppe biler, der alle spiller den samme radiostation (måske en udsendelse af en høg, der cirkulerer over hovedet). En anden mekanisme, som forfatterne fremhæver, er neuromodulatorer. Det er kemikalier, der, når de når receptorer inde i celler, også kan påvirke deres aktivitet. For eksempel kan en bølge af acetylcholin på samme måde prime neuroner med tilsvarende receptorer til en specifik aktivitet eller information (måske følelsen af sult).

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

Forståelse af blandet selektivitet, fortsætter de, er afgørende for at forstå kognition.

"Blandet selektivitet er allestedsnærværende," konkluderer de. "Det er til stede på tværs af arter og tjener en række funktioner fra kognition på højt niveau til 'automatiske' sansemotoriske processer såsom genkendelse af objekter. Den udbredte forekomst af blandet selektivitet fremhæver dens grundlæggende rolle i at give hjernen den skalerbare processorkraft, der er nødvendig for komplekse tanker og handlinger." p>

Læs mere om undersøgelsen på CELL magazine