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

Araw-araw ang ating utak ay nagsusumikap na mag-optimize ng isang trade-off: sa maraming mga kaganapan na nangyayari sa ating paligid, at sa parehong oras maraming mga panloob na drive at mga alaala, ang ating mga saloobin ay dapat na nababaluktot ngunit sapat na nakatuon upang gabayan ang lahat ng kailangan nating gawin. Sa isang bagong papel sa journal Neuron, inilalarawan ng isang pangkat ng mga neuroscientist kung paano nakakamit ng utak ang kakayahan sa pag-iisip na isama ang lahat ng nauugnay na impormasyon nang hindi nalulula sa kung ano ang hindi nauugnay.

Nagtatalo ang mga may-akda na ang flexibility ay nagmumula sa isang pangunahing katangian na naobserbahan sa maraming 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 litsugas sa hardin, ang isang neuron ay maaaring kasangkot hindi lamang sa paghusga sa gutom nito, kundi pati na rin sa pandinig ng isang lawin sa itaas o pag-amoy ng coyote sa mga puno at pagtukoy kung gaano kalayo ang lettuce.. p>

Ang utak ay hindi isang multitasker, sabi ng co-author na si Earl K. Miller, isang propesor sa Picower Institute for Learning and Memory sa MIT at isa sa mga pioneer ng ideya ng mixed selectivity, ngunit maraming mga cell ang may kakayahan upang makisali sa maraming proseso ng pagkalkula (sa pangkalahatan, "mga pag-iisip"). Sa bagong papel, inilalarawan ng mga may-akda ang mga partikular na mekanismo na ginagamit ng utak upang mag-recruit ng mga neuron upang magsagawa ng 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 problema.

Ang mga neuron na ito ay gumaganap ng maraming function. Sa halo-halong pagpili posible na magkaroon ng isang kinatawan na espasyo na kasing kumplikado ng kailangan at wala na. Dito nakasalalay ang flexibility ng cognitive function."

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

Sinabi ng co-author na si Kaye Tai, isang propesor sa Salk Institute at University of California, San Diego, 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 property na nagbibigay sa amin ng aming flexibility, cognitive ability at creativity. Ito ang sikreto sa pag-maximize ng processing power, na mahalagang batayan ng intelligence."

Pinagmulan ng ideya

Ang ideya ng mixed selectivity ay nagmula noong 2000, nang si Miller at ang kanyang kasamahan na si John Duncan ay nagtatanggol ng isang nakakagulat na resulta mula sa pananaliksik sa cognitive function sa laboratoryo ni Miller. Kapag pinagbukud-bukod ng mga hayop ang mga imahe sa mga kategorya, halos 30 porsiyento ng mga neuron sa prefrontal cortex ng utak ay tila na-activate. 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 kalkulasyon. Ang kakayahang maglingkod sa isang pangkat ng utak, gaya noon, ay hindi naging hadlang sa kanilang kakayahang maglingkod sa marami pang iba.

Ngunit anong mga pakinabang ang naidudulot ng mixed selectivity? Noong 2013, nakipagtulungan si Miller sa dalawang co-authors ng isang bagong papel, sina Mattia Rigotti ng IBM Research at Stefano Fusi ng Columbia University, upang ipakita kung paano pinagkalooban 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 sa gawain kaysa sa isang populasyon ng mga neuron na may mga invariant na function.

"Mula sa aming unang gawain, nakagawa kami ng pag-unlad sa pag-unawa sa teorya ng mixed selectivity 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 gumagawa nito sa antas ng cellular ay medyo hindi pa natutuklasan. Ang pagtutulungang ito at ang bagong papel na ito ay naglalayong punan ang puwang na ito."

Sa bagong papel, ipinakita ng mga may-akda ang isang mouse na nagpapasya kung kakain ng berry. Baka mabango siya (one dimension yun). Maaari itong maging lason (isa pa iyan). Ang isa pang dimensyon o dalawa ng problema ay maaaring lumitaw sa anyo ng isang social signal. Kung ang isang mouse ay nakaamoy ng berry sa hininga ng isa pang mouse, kung gayon ang berry ay malamang na nakakain (depende sa maliwanag na kalusugan ng isa pang mouse). Ang isang neural ensemble na may mixed selectivity ay magagawang isama ang lahat ng ito.

Pag-akit ng mga neuron

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

Sa isang bagong pag-aaral, tinutukoy ng mga mananaliksik kabilang sina Marcus Benna ng UC San Diego at Felix Taschbach ng Salk Institute ang mga anyo ng mixed selectivity na naobserbahan ng mga mananaliksik at pinagtatalunan na kapag ang mga oscillations (kilala rin bilang "brain waves") at neuromodulators ( mga kemikal na sangkap gaya ng serotonin o dopamine na nakakaimpluwensya sa neural function) na umaakit sa mga neuron sa computational ensembles, tinutulungan din nila silang "i-filter" kung ano ang mahalaga para sa layuning ito.

Siyempre, ang ilang mga neuron ay dalubhasa para sa isang partikular na input, ngunit napapansin ng mga may-akda na sila ang eksepsiyon, hindi ang panuntunan. Sinasabi ng mga may-akda na ang mga cell na ito ay may "purong selectivity." Nag-aalala lang sila kung nakikita ng kuneho ang lettuce. Ang ilang mga neuron ay nagpapakita ng "linear mixed selectivity," ibig sabihin ang kanilang tugon ay predictably depende sa kabuuan ng maramihang mga input (isang 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 mga variable nang hindi kinakailangang isama ang mga ito. Sa halip, maaari nilang isaalang-alang ang isang buong hanay ng mga independiyenteng kondisyon (halimbawa, mayroong lettuce, nagugutom ako, wala akong naririnig na mga lawin, hindi ako nakakaamoy ng coyote, ngunit ang lettuce ay malayo at kaya ko. Makakita ng medyo matibay na bakod).

Kaya, ano ang umaakit sa mga neuron na tumuon sa mga makabuluhang salik, gaano man karami ang mayroon? Ang isang mekanismo ay ang oscillation, na nangyayari sa utak kapag maraming neuron ang nagpapanatili ng kanilang electrical activity sa parehong ritmo. Ang pinag-ugnay na aktibidad na ito ay nagbibigay-daan sa pagbabahagi ng impormasyon, na 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 (marahil isang broadcast ng isang lawin na umiikot sa itaas). Ang isa pang mekanismo na itinampok ng mga may-akda ay neuromodulators. Ito ay mga kemikal na, kapag naabot nila ang mga receptor sa loob ng mga selula, maaari ring makaapekto sa kanilang aktibidad. Halimbawa, ang pag-akyat ng acetylcholine ay maaaring maging prime neuron na may katumbas na mga receptor para 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,” ang isinulat ng mga may-akda.

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

“Ang pinaghalong pagpili ay nasa lahat ng dako,” pagtatapos nila. "Ito ay naroroon sa lahat ng mga species at nagsisilbi ng iba't ibang mga function mula sa mataas na antas ng katalusan hanggang sa 'awtomatikong' sensorimotor na mga proseso tulad ng pagkilala sa bagay. Ang malawakang paglitaw ng halo-halong selectivity ay nagha-highlight sa pangunahing papel nito sa pagbibigay sa utak ng scalable processing power na kailangan para sa kumplikado iniisip at kilos." p>

Magbasa nang higit pa tungkol sa pag-aaral sa CELL magazine