Mišraus selektyvumo galia: smegenų funkcijos ir pažinimo supratimas

Kiekvieną dieną mūsų smegenys stengiasi optimizuoti kompromisą: aplink mus vykstant tiek daug įvykių ir tuo pačiu metu tiek daug vidinių potraukių bei prisiminimų, mūsų mintys turi būti lanksčios, bet pakankamai sutelktos, kad padėtų mums daryti viską, ką turime. Naujame žurnalo „Neuron“ straipsnyje neuromokslininkų komanda aprašo, kaip smegenys įgyja kognityvinį gebėjimą integruoti visą svarbią informaciją, neapsunkdamos tuo, kas nesvarbu.

Autoriai teigia, kad šis lankstumas kyla iš pagrindinės savybės, stebimos daugelyje neuronų: „mišraus selektyvumo“. Nors anksčiau daugelis neurologų manė, kad kiekviena ląstelė atlieka tik vieną specializuotą funkciją, naujesni įrodymai parodė, kad daugelis neuronų gali dalyvauti skirtinguose skaičiavimo ansambliuose, veikiančiuose lygiagrečiai. Kitaip tariant, kai triušis svarsto apie salotų pakramsnojimą sode, vienas neuronas gali būti susijęs ne tik su jo alkio įvertinimu, bet ir su vanago čiulbėjimu virš galvos ar kojoto užuodimu medžiuose bei salotų atstumo nustatymu.

Straipsnio bendraautorius Earlas K. Milleris, MIT mokymosi ir atminties tyrimų Picower instituto profesorius ir vienas iš mišraus selektyvumo idėjos pradininkų, teigė, kad smegenys neatlieka kelių užduočių vienu metu, tačiau daugelis ląstelių turi galimybę atlikti kelis skaičiavimus (iš esmės „mintis“). Naujajame straipsnyje autoriai aprašo konkrečius mechanizmus, kuriuos smegenys naudoja neuronams pritraukti į skirtingus skaičiavimus ir užtikrinti, kad tie neuronai atspindėtų reikiamą sudėtingos užduoties dimensijų skaičių.

Šie neuronai atlieka daug funkcijų. Taikant mišrų selektyvumą, galite turėti reprezentacinę erdvę, kuri yra tokia sudėtinga, kokios jums reikia, ir ne daugiau. Būtent čia slypi kognityvinės funkcijos lankstumas.“

Earl K. Miller, profesorius, Picower mokymosi ir atminties tyrimų institutas, Masačusetso technologijos institutas

Bendraautorė Kay Tai, Salko instituto ir Kalifornijos universiteto San Diege profesorė, teigė, kad mišrus neuronų selektyvumas, ypač medialinėje prefrontalinėje žievėje, yra labai svarbus daugelio protinių gebėjimų įgalinimui.

„MPFC yra tarsi šnabždesys, perteikiantis tiek daug informacijos per labai lanksčius ir dinamiškus ansamblius“, – sakė Tai. „Mišrus selektyvumas yra savybė, suteikianti mums lankstumo, kognityvinių gebėjimų ir kūrybiškumo. Tai paslaptis, kaip maksimaliai padidinti skaičiavimo galią, kuri iš esmės yra intelekto pagrindas.“

Idėjos kilmė

Mišraus selektyvumo idėja atsirado 2000 m., kai Milleris ir jo kolega Johnas Duncanas apgynė stebinantį Millerio laboratorijoje atlikto kognityvinės funkcijos tyrimo rezultatą. Kai gyvūnai rūšiavo vaizdus į kategorijas, atrodė, kad buvo pritraukta apie 30 procentų smegenų prefrontalinės žievės neuronų. Skeptikai, manę, kad kiekvienas neuronas turi tam skirtą funkciją, šaipėsi iš minties, kad smegenys gali skirti tiek daug ląstelių tik vienai užduočiai. Millerio ir Duncano atsakymas buvo tas, kad galbūt ląstelės turi lankstumo dalyvauti daugelyje skaičiavimų. Gebėjimas tarnauti vienai smegenų grupei, kaip jos ir turėjo, neatmetė jų galimybės tarnauti daugeliui kitų.

Tačiau kokią naudą duoda mišrus selektyvumas? 2013 m. Milleris kartu su dviem naujo straipsnio bendraautoriais – Mattia Rigotti iš IBM Research ir Stefano Fusi iš Kolumbijos universiteto – parodė, kaip mišrus selektyvumas suteikia smegenims galingą skaičiavimo lankstumą. Iš esmės, neuronų, turinčių mišrų selektyvumą, ansamblis gali sutalpinti daug daugiau informacijos apie užduotį aspektų nei neuronų populiacija su fiksuotomis funkcijomis.

„Nuo mūsų pradinio darbo mes padarėme pažangą suprasdami mišraus selektyvumo teoriją per klasikinio mašininio mokymosi idėjų prizmę“, – sakė Rigotti. „Kita vertus, eksperimentatoriams svarbūs klausimai apie mechanizmus, įgyvendinančius tai ląstelių lygmeniu, buvo palyginti nepakankamai ištirti. Šis bendradarbiavimas ir šis naujas straipsnis siekia užpildyti šią spragą.“

Naujajame straipsnyje autoriai įsivaizduoja pelę, sprendžiančią, ar valgyti uogą. Ji gali kvepėti skaniai (tai vienas aspektas). Ji gali būti nuodinga (tai kitas). Dar vienas ar du problemos aspektai gali pasireikšti socialine užuomina. Jei pelė užuodžia uogą kitos pelės kvėpavime, uoga tikriausiai yra valgoma (priklausomai nuo kitos pelės akivaizdžios sveikatos). Neuronų ansamblis su mišriu selektyvumu galėtų visa tai integruoti.

Pritraukia neuronus

Nors mišrų selektyvumą patvirtina gausūs įrodymai – jis pastebėtas visoje žievėje ir kituose smegenų regionuose, tokiuose kaip hipokampas ir migdolas – lieka atvirų klausimų. Pavyzdžiui, kaip neuronai yra pritraukiami užduotims ir kaip tokie plačios mąstysenos neuronai išlieka susitelkę tik į tai, kas iš tiesų yra kritiškai svarbu?

Naujajame tyrime tyrėjai, įskaitant Marcusą Benną iš Kalifornijos universiteto San Diege ir Felixą Taschbachą iš Salko instituto, nustato mišraus selektyvumo formas, kurias pastebėjo tyrėjai, ir teigia, kad kai osciliacijos (dar vadinamos „smegenų bangomis“) ir neuromoduliatoriai (cheminės medžiagos, tokios kaip serotoninas ar dopaminas, kurios veikia nervų funkciją) pritraukia neuronus į skaičiavimo ansamblius, jie taip pat padeda jiems „filtruoti“ tai, kas svarbu tam tikslui.

Žinoma, kai kurie neuronai specializuojasi konkrečiame signale, tačiau autoriai pabrėžia, kad jie yra išimtis, o ne taisyklė. Šios ląstelės, pasak autorių, pasižymi „grynu selektyvumu“. Joms rūpi tik tai, ar triušis mato salotas. Kai kurie neuronai pasižymi „tiesiniu mišriu selektyvumu“, o tai reiškia, kad jų atsakas nuspėjamai priklauso nuo kelių signalų sumos (triušis mato salotas ir jaučiasi alkanas). Neuronai, kurie suteikia daugiausia matavimo lankstumo, yra tie, kurie pasižymi „netiesiniu mišriu selektyvumu“, kurie gali atsižvelgti į kelis nepriklausomus kintamuosius, nereikalaujant jų visų sumuoti. Vietoj to, jie gali atsižvelgti į visą nepriklausomų sąlygų rinkinį (pvz., yra salotos, aš alkanas, negirdžiu vanagų, neužuodžiu kojotų, bet salotos yra toli, o aš matau gana tvirtą tvorą).

Taigi, kas pritraukia neuronus sutelkti dėmesį į reikšmingus veiksnius, nesvarbu, kiek jų yra? Vienas iš mechanizmų yra svyravimai, kurie atsiranda smegenyse, kai daugelis neuronų palaiko savo elektrinį aktyvumą tuo pačiu ritmu. Ši koordinuota veikla leidžia dalytis informacija, iš esmės juos suderinant, kaip automobilių grupė, grojanti tą pačią radijo stotį (galbūt vanago, skrendančio virš galvos, transliacija). Kitas mechanizmas, kurį pabrėžia autoriai, yra neuromoduliatoriai. Tai cheminės medžiagos, kurios, pasiekusios receptorius ląstelių viduje, taip pat gali paveikti jų aktyvumą. Pavyzdžiui, acetilcholino antplūdis gali panašiai suderinti neuronus su atitinkamais receptoriais tam tikrai veiklai ar informacijai (galbūt alkio jausmui).

„Šie du mechanizmai greičiausiai veikia kartu, kad dinamiškai formuotų funkcinius tinklus“, – rašo autoriai.

Jie tęsia, kad mišraus selektyvumo supratimas yra labai svarbus norint suprasti pažinimą.

„Mišrus selektyvumas yra visur paplitęs“, – daro išvadą jie. „Jis būdingas visoms rūšims ir atlieka įvairias funkcijas – nuo aukšto lygio pažinimo iki „automatinių“ sensorinių procesų, tokių kaip objektų atpažinimas. Plačiai paplitęs mišrus selektyvumas pabrėžia jo esminį vaidmenį suteikiant smegenims keičiamo apdorojimo galią, reikalingą sudėtingam mąstymui ir veiksmams.“

Išsamesnė informacija apie tyrimą pateikiama CELL žurnalo puslapyje.