Ang kapangyarihan ng halo-halong pagpili: pag-unawa sa pag-andar ng utak at katalusan

Araw-araw, nagsusumikap ang ating mga utak na mag-optimize ng isang trade-off: sa napakaraming kaganapan na nangyayari sa ating paligid, at sa parehong oras ay napakaraming panloob na paghihimok at alaala, ang ating mga kaisipan ay dapat na may kakayahang umangkop ngunit sapat na nakatuon upang gabayan ang lahat ng kailangan nating gawin. Sa isang bagong papel sa journal Neuron, isang pangkat ng mga neuroscientist ang naglalarawan kung paano nakakamit ng utak ang kakayahang nagbibigay-malay na isama ang lahat ng may-katuturang impormasyon nang hindi nalulula sa kung ano ang hindi mahalaga.

Ang mga may-akda ay nagtalo na ang kakayahang umangkop na ito ay nagmumula sa isang pangunahing pag-aari na naobserbahan sa maraming mga neuron: "mixed selectivity." Bagama't naisip ng maraming neuroscientist dati na ang bawat cell ay mayroon lamang isang espesyal na pag-andar, ipinakita ng mas kamakailang ebidensya na maraming mga neuron ang maaaring lumahok sa iba't ibang mga computational ensemble na gumagana nang magkatulad. Sa madaling salita, kapag ang isang kuneho ay nag-iisip na kumagat ng ilang lettuce sa hardin, ang isang neuron ay maaaring kasangkot hindi lamang sa pagtatasa ng gutom nito, kundi pati na rin sa pandinig ng lawin sa itaas o pag-amoy ng coyote sa mga puno at paghusga kung gaano kalayo ang lettuce.

Ang utak ay hindi multitask, sabi ng papel na co-author na si Earl K. Miller, isang propesor sa Picower Institute para sa Pag-aaral ng Pag-aaral at Memorya sa MIT at isa sa mga pioneer ng ideya ng halo-halong pagpili, ngunit maraming mga cell ang may kakayahang makisali sa maraming mga pag-compute (sa pangkalahatan, "mga pag-iisip"). Sa bagong papel, inilalarawan ng mga may-akda ang mga partikular na mekanismo na ginagamit ng utak upang kumalap ng mga neuron sa iba't ibang mga pagkalkula at upang matiyak na ang mga neuron na iyon ay kumakatawan sa tamang bilang ng mga sukat ng isang kumplikadong gawain.

Ang mga neuron na ito ay gumaganap ng maraming mga pag-andar. Sa halo-halong pagpili, maaari kang magkaroon ng representasyonal na espasyo na kasing kumplikado ng kailangan mo, at wala na. Nandoon ang flexibility ng cognitive function."

Earl K. Miller, Propesor, Picower Institute para sa Pag-aaral ng Pag-aaral at Memorya, Massachusetts Institute of Technology

Ang co-author na si Kay Tai, isang propesor sa Salk Institute at University of California, San Diego, ay nagsabi na ang halo-halong pagpili sa mga neuron, lalo na sa medial prefrontal cortex, ay susi sa pagpapagana ng maraming kakayahan sa pag-iisip.

"Ang MPFC ay parang isang bulong na kumakatawan sa napakaraming impormasyon sa pamamagitan ng lubos na nababaluktot at pabago-bagong ensembles," sabi ni Tai. "Ang mixed selectivity ay ang ari-arian na nagbibigay sa amin ng aming flexibility, cognitive ability, at creativity. Ito ang sikreto sa pag-maximize ng computational power, na mahalagang batayan ng intelligence."

Pinagmulan ng ideya

Nagsimula ang ideya ng mixed selectivity noong 2000, nang ipagtanggol ni Miller at ng kanyang kasamahan na si John Duncan ang isang nakakagulat na resulta mula sa isang pag-aaral ng cognitive function sa Miller's lab. Kapag pinagbukud-bukod ng mga hayop ang mga imahe sa mga kategorya, mga 30 porsiyento ng mga neuron sa prefrontal cortex ng utak ay tila na-recruit. Ang mga may pag-aalinlangan na naniniwala na ang bawat neuron ay may nakalaang function ay nanunuya sa ideya na ang utak ay maaaring magtalaga ng napakaraming mga cell sa isang gawain lamang. Ang sagot nina Miller at Duncan ay marahil ang mga cell ay may kakayahang umangkop upang lumahok sa maraming mga pagkalkula. Ang kakayahang maglingkod sa isang grupo ng utak, gaya ng ginawa nito, ay hindi naging hadlang sa kanilang kakayahang maglingkod sa marami pang iba.

Ngunit anong benepisyo ang naidudulot ng halo-halong pagpili? Noong 2013, nakipagtulungan si Miller sa dalawang co-authors ng bagong papel, sina Mattia Rigotti ng IBM Research at Stefano Fusi ng Columbia University, upang ipakita kung paano binibigyan ng mixed selectivity ang utak ng malakas na computational flexibility. Sa esensya, ang isang ensemble ng mga neuron na may halo-halong selectivity ay maaaring tumanggap ng mas maraming dimensyon ng impormasyon tungkol sa isang gawain kaysa sa isang populasyon ng mga neuron na may mga nakapirming function.

"Dahil sa aming orihinal na gawain, gumawa kami ng mga pag-unlad sa pag-unawa sa teorya ng halo-halong pagpili sa pamamagitan ng lens ng mga klasikal na ideya sa pag-aaral ng makina," sabi ni Rigotti. "Sa kabilang banda, ang mga tanong na mahalaga sa mga eksperimentalista tungkol sa mga mekanismo na nagpapatupad nito sa antas ng cellular ay medyo hindi pinag-aralan. Ang pakikipagtulungang ito at ang bagong papel na ito ay naglalayong punan ang puwang na iyon."

Sa bagong papel, iniisip ng mga may-akda ang isang mouse na nagpapasya kung kumain ng isang berry. Baka masarap ang amoy nito (one dimension yan). Baka poisonous (isa pa yan). Ang isa pang dimensyon o dalawa ng problema ay maaaring dumating sa anyo ng isang social cue. Kung ang isang mouse ay nakaamoy ng berry sa hininga ng isa pang mouse, ang berry ay malamang na nakakain (depende sa maliwanag na kalusugan ng isa pang mouse). Ang isang neural ensemble na may mixed selectivity ay maaaring isama ang lahat ng ito.

Pag-akit ng mga neuron

Habang ang halo-halong pagpili ay sinusuportahan ng masaganang ebidensya-ito ay naobserbahan sa buong cortex at sa iba pang mga rehiyon ng utak tulad ng hippocampus at amygdala-nananatili ang mga bukas na tanong. Halimbawa, paano nare-recruit ang mga neuron sa mga gawain, at paano nananatiling nakatutok ang mga neuron na napakalawak ng pag-iisip sa kung ano lang ang talagang kritikal sa misyon?

Sa bagong pag-aaral, tinutukoy ng mga mananaliksik kasama sina Marcus Benna ng UC San Diego at Felix Taschbach ng Salk Institute ang mga anyo ng mixed selectivity na naobserbahan at pinagtatalunan ng mga mananaliksik na kapag ang mga oscillations (kilala rin bilang "brain waves") at neuromodulators (mga kemikal tulad ng serotonin o dopamine na nakakaimpluwensya sa neural function) ay nagre-recruit ng mga neuron sa computational ensembles na mahalaga para sa mga ito na "filter" ang layunin ng mga neuron.

Siyempre, ang ilang mga neuron ay nagdadalubhasa sa isang partikular na input, ngunit itinuturo ng mga may-akda na sila ang eksepsiyon, hindi ang panuntunan. Ang mga cell na ito, sabi ng mga may-akda, ay may "pure selectivity." Ang pakialam lang nila kung makakita ng letsugas ang kuneho. Ang ilang mga neuron ay nagpapakita ng "linear mixed selectivity," ibig sabihin ang kanilang tugon ay predictably depende sa kabuuan ng maramihang mga input (ang kuneho ay nakakakita ng lettuce at nakakaramdam ng gutom). Ang mga neuron na nagdaragdag ng pinakamaraming kakayahang umangkop sa pagsukat ay ang mga may "nonlinear mixed selectivity," na maaaring mag-account para sa maraming independiyenteng variable nang hindi kinakailangang isama ang lahat ng ito. Sa halip, maaari nilang isaalang-alang ang isang buong hanay ng mga independiyenteng kondisyon (hal., mayroong lettuce, nagugutom ako, hindi ako makarinig ng mga lawin, hindi ako nakakaamoy ng mga coyote, ngunit ang litsugas ay malayo, at nakikita ko ang isang medyo matibay na bakod).

Kaya ano ang umaakit sa mga neuron na tumuon sa makabuluhang mga kadahilanan, gaano man karami ang mayroon? Ang isang mekanismo ay ang mga oscillation, na nangyayari sa utak kapag maraming mga neuron ang nagpapanatili ng kanilang aktibidad sa kuryente sa parehong ritmo. Ang pinagsama-samang aktibidad na ito ay nagbibigay-daan sa pagbabahagi ng impormasyon, mahalagang i-tune ang mga ito nang sama-sama, tulad ng isang grupo ng mga kotse na lahat ay nagpapatugtog sa parehong istasyon ng radyo (isang broadcast ng isang lawin na umiikot sa itaas, marahil). Ang isa pang mekanismo na itinatampok ng mga may-akda ay neuromodulators. Ang mga ito ay mga kemikal na, kapag naabot nila ang mga receptor sa loob ng mga selula, ay maaari ring makaimpluwensya sa kanilang aktibidad. Halimbawa, ang pagtaas ng acetylcholine ay maaaring magkatulad na ibagay ang mga neuron na may naaangkop na mga receptor sa isang partikular na aktibidad o impormasyon (marahil ang pakiramdam ng gutom).

"Ang dalawang mekanismong ito ay malamang na nagtutulungan upang dynamic na bumuo ng mga functional na network," isinulat ng mga may-akda.

Ang pag-unawa sa mixed selectivity, patuloy nila, ay kritikal sa pag-unawa sa cognition.

"Mixed selectivity is ubiquitous," pagtatapos nila. "Ito ay naroroon sa kabuuan ng mga species at nagsisilbing mga function mula sa mataas na antas ng cognition hanggang sa 'awtomatikong' sensorimotor na proseso tulad ng object recognition. Ang malawakang paglitaw ng mixed selectivity ay nagha-highlight sa pangunahing papel nito sa pagbibigay sa utak ng scalable processing power na kinakailangan para sa kumplikadong pag-iisip at pagkilos."

Ang mga detalye ng pag-aaral ay makukuha sa pahina ng CELL journal