Kuasa selektiviti campuran: Memahami fungsi otak dan kognisi

Setiap hari otak kita berusaha untuk mengoptimumkan pertukaran: dengan banyak peristiwa berlaku di sekeliling kita, dan pada masa yang sama banyak dorongan dan ingatan dalaman, pemikiran kita mestilah fleksibel tetapi cukup fokus untuk membimbing semua yang perlu kita lakukan. Dalam makalah baharu dalam jurnal Neuron, sepasukan ahli sains saraf menerangkan cara otak mencapai keupayaan kognitif untuk menyepadukan semua maklumat yang berkaitan tanpa merasa tertekan dengan perkara yang tidak berkaitan.

Pengarang berpendapat bahawa fleksibiliti berpunca daripada sifat utama yang diperhatikan dalam banyak neuron: "selektiviti campuran." Walaupun ramai ahli sains saraf sebelum ini berpendapat bahawa setiap sel hanya mempunyai satu fungsi khusus, bukti yang lebih terkini telah menunjukkan bahawa banyak neuron boleh mengambil bahagian dalam ensembel pengiraan yang berbeza yang berfungsi secara selari. Dalam erti kata lain, apabila arnab sedang mempertimbangkan untuk menggigit salad di taman, satu neuron mungkin terlibat bukan sahaja dalam menilai kelaparannya, tetapi juga dalam mendengar elang di atas kepala atau mencium bau koyote di dalam pokok dan menentukan sejauh mana salad itu berada.. p>

Otak bukanlah multitasker, kata pengarang bersama Earl K. Miller, seorang profesor di Institut Picower untuk Pembelajaran dan Memori di MIT dan salah seorang perintis idea pemilihan campuran, tetapi banyak sel mempunyai keupayaan untuk melibatkan diri dalam pelbagai proses pengiraan (pada asasnya, "pemikiran"). Dalam makalah baharu, pengarang menerangkan mekanisme khusus yang digunakan oleh otak untuk merekrut neuron untuk melakukan pelbagai pengiraan dan untuk memastikan neuron tersebut mewakili bilangan dimensi yang betul bagi masalah kompleks.

Neuron ini melakukan banyak fungsi. Dengan selektiviti campuran adalah mungkin untuk mempunyai ruang perwakilan yang kompleks seperti yang diperlukan dan tidak lebih. Di sinilah terletaknya fleksibiliti fungsi kognitif."

Earl K. Miller, profesor di Institut Picower untuk Kajian Pembelajaran dan Ingatan di Institut Teknologi Massachusetts

Pengarang bersama Kaye Tai, seorang profesor di Salk Institute dan University of California, San Diego, berkata bahawa selektiviti bercampur antara neuron, terutamanya dalam korteks prefrontal medial, adalah kunci untuk membolehkan banyak kebolehan mental.

"MPFC adalah seperti bisikan yang mewakili begitu banyak maklumat melalui ensembel yang sangat fleksibel dan dinamik," kata Tai. "Selektiviti bercampur ialah sifat yang memberi kita fleksibiliti, keupayaan kognitif dan kreativiti. Ia adalah rahsia untuk memaksimumkan kuasa pemprosesan, yang pada asasnya merupakan asas kecerdasan."

Asal usul idea

Idea selektiviti campuran bermula pada tahun 2000, apabila Miller dan rakan sekerjanya John Duncan mempertahankan hasil yang mengejutkan daripada penyelidikan mengenai fungsi kognitif di makmal Miller. Apabila haiwan menyusun imej ke dalam kategori, kira-kira 30 peratus daripada neuron dalam korteks prefrontal otak seolah-olah diaktifkan. Skeptik yang percaya bahawa setiap neuron mempunyai fungsi khusus mengejek idea bahawa otak boleh mendedikasikan begitu banyak sel untuk hanya satu tugas. Jawapan Miller dan Duncan ialah mungkin sel mempunyai fleksibiliti untuk mengambil bahagian dalam banyak pengiraan. Keupayaan untuk berkhidmat dalam satu kumpulan otak, sebagaimana adanya, tidak menghalang keupayaan mereka untuk berkhidmat kepada ramai orang lain.

Tetapi apakah faedah yang dibawa oleh pemilihan campuran? Pada 2013, Miller bekerjasama dengan dua pengarang bersama kertas kerja baharu, Mattia Rigotti dari IBM Research dan Stefano Fusi dari Columbia University, untuk menunjukkan bagaimana selektiviti bercampur memberikan otak dengan fleksibiliti pengiraan yang berkuasa. Pada dasarnya, kumpulan neuron dengan selektiviti bercampur boleh menampung lebih banyak dimensi maklumat tugas daripada populasi neuron dengan fungsi invarian.

"Sejak kerja awal kami, kami telah mencapai kemajuan dalam memahami teori pemilihan campuran melalui lensa idea pembelajaran mesin klasik," kata Rigotti. "Sebaliknya, soalan penting kepada ahli eksperimen tentang mekanisme yang melakukan ini pada peringkat selular agak kurang diterokai. Kerjasama ini dan kertas kerja baharu ini bertujuan untuk mengisi jurang ini."

Dalam kertas baharu, penulis membentangkan tetikus memutuskan sama ada hendak makan buah beri. Dia mungkin berbau lazat (itu satu dimensi). Ia boleh menjadi beracun (itu perkara lain). Satu atau dua dimensi masalah mungkin timbul dalam bentuk isyarat sosial. Jika tetikus menghidu buah beri pada nafas tetikus lain, maka buah beri itu mungkin boleh dimakan (bergantung pada kesihatan ketara tetikus yang lain). Ensembel saraf dengan selektiviti campuran akan dapat menyepadukan semua ini.

Menarik neuron

Walaupun selektiviti campuran disokong oleh banyak bukti—ia telah diperhatikan di seluruh korteks dan di kawasan otak lain seperti hippocampus dan amygdala—soalan terbuka kekal. Sebagai contoh, bagaimanakah neuron direkrut untuk menjalankan tugas dan bagaimanakah neuron yang sangat "berfikiran luas" hanya memerhatikan perkara yang benar-benar penting untuk misi?

Dalam kajian baharu, penyelidik termasuk Marcus Benna dari UC San Diego dan Felix Taschbach dari Institut Salk mengenal pasti bentuk selektiviti bercampur yang penyelidik perhatikan dan berpendapat bahawa apabila ayunan (juga dikenali sebagai "gelombang otak") dan neuromodulator ( bahan kimia seperti serotonin atau dopamin yang mempengaruhi fungsi saraf) menarik neuron ke dalam kumpulan pengiraan, ia juga membantu mereka "menapis" perkara yang penting untuk tujuan ini.

Sudah tentu, sesetengah neuron dikhususkan untuk input tertentu, tetapi pengarang ambil perhatian bahawa ia adalah pengecualian, bukan peraturan. Penulis mengatakan sel-sel ini mempunyai "selektiviti tulen." Mereka hanya peduli jika arnab melihat salad. Sesetengah neuron mempamerkan "selektiviti campuran linear," yang bermaksud bahawa tindak balas mereka bergantung pada jumlah input berbilang (arnab melihat salad dan berasa lapar). Neuron yang menambah fleksibiliti pengukuran paling banyak adalah yang mempunyai "selektiviti bercampur tak linear," yang boleh menyumbang berbilang pembolehubah bebas tanpa perlu menjumlahkannya. Sebaliknya, mereka boleh mengambil kira satu set keseluruhan keadaan bebas (contohnya, ada salad, saya lapar, saya tidak mendengar sebarang helang, saya tidak bau koyote, tetapi salad itu jauh dan saya boleh nampak pagar yang agak kukuh).

Jadi, apakah yang menarik neuron untuk memberi tumpuan kepada faktor penting, tidak kira berapa banyak terdapat? Satu mekanisme ialah ayunan, yang berlaku di otak apabila banyak neuron mengekalkan aktiviti elektrik mereka dalam irama yang sama. Aktiviti yang diselaraskan ini membolehkan maklumat dikongsi, pada dasarnya menalanya bersama-sama seperti sekumpulan kereta yang semuanya memainkan stesen radio yang sama (mungkin siaran burung elang beredar di atas kepala). Satu lagi mekanisme yang diketengahkan oleh penulis ialah neuromodulator. Ini adalah bahan kimia yang, apabila mencapai reseptor di dalam sel, juga boleh menjejaskan aktivitinya. Sebagai contoh, lonjakan asetilkolin juga boleh meningkatkan neuron dengan reseptor yang sepadan untuk aktiviti atau maklumat tertentu (mungkin rasa lapar).

“Kedua-dua mekanisme ini mungkin berfungsi bersama untuk membentuk rangkaian berfungsi secara dinamik,” tulis penulis.

Memahami selektiviti campuran, lanjut mereka, adalah penting untuk memahami kognisi.

“Selektiviti bercampur ada di mana-mana,” mereka membuat kesimpulan. "Ia hadir merentasi spesies dan melayani pelbagai fungsi daripada kognisi peringkat tinggi kepada proses sensorimotor 'automatik' seperti pengecaman objek. Kejadian berleluasa pemilihan campuran menyerlahkan peranan asasnya dalam menyediakan otak dengan kuasa pemprosesan berskala yang diperlukan untuk kompleks fikiran dan tindakan." p>

Baca lebih lanjut mengenai kajian tentang majalah CELL