Svaki dan naš mozak nastoji da optimizuje kompromis: sa mnogo stvari koje se dešavaju oko nas, čak iako imamo mnogo unutrašnjih pokreta i sećanja, naše misli nekako moraju biti fleksibilne, ali dovoljno fokusirane da vode sve što moramo da uradimo. U novom radu u Neuronu, tim neuronaučnika opisuje kako mozak postiže kognitivni kapacitet da inkorporira sve informacije koje su relevantne, a da ne bude preopterećen onim što nije.
Autori tvrde da fleksibilnost proizilazi iz ključne osobine uočene u mnogim neuronima: „mešovite selektivnosti“. Dok su mnogi neuronaučnici mislili da svaka ćelija ima samo jednu namensku funkciju, noviji dokazi su pokazali da mnogi neuroni umesto toga mogu da učestvuju u različitim računarskim ansamblima, od kojih svaki radi paralelno.
Drugim rečima, kada zec razmišlja da gricka neku zelenu salatu u bašti, jedan neuron bi mogao biti uključen u procenu ne samo koliko je gladan, već i da li može da čuje sokola iznad glave ili da oseti miris kojota na drveću i koliko je daleko zelena salata.
Mozak ne obavlja više zadataka, rekao je koautor Earl K. Miller, profesor Picover na Institutu za učenje i pamćenje Picover na MIT-u i pionir ideje mešovite selektivnosti, ali mnoge ćelije imaju kapacitet da budu spojene u više računarskih sistema. napori (u suštini „misli“). U novom radu, autori opisuju specifične mehanizme koje mozak koristi da regrutuje neurone u različite proračune i da osigura da ti neuroni predstavljaju pravi broj dimenzija složenog zadatka.
„Ovi neuroni nose više šešira“, rekao je Miler. „Sa mešovitom selektivnošću možete imati prostor za predstavljanje koji je onoliko složen koliko treba i ne složeniji. To je ono što je fleksibilna spoznaja.“
Koautor Kej Taj, profesor na Institutu Salk i Kalifornijskom univerzitetu u San Dijegu, rekao je da je mešana selektivnost među neuronima, posebno u medijalnom prefrontalnom korteksu, ključna za omogućavanje mnogih mentalnih sposobnosti.
„MPFC je poput šapata koji predstavlja toliko informacija kroz veoma fleksibilne i dinamične ansamble“, rekao je Taj. „Mešovita selektivnost je svojstvo koje nam daje našu fleksibilnost, kognitivni kapacitet i sposobnost da budemo kreativni. To je tajna maksimizacije računarske moći koja je u suštini osnova inteligencije.“
Ideja mešovite selektivnosti proklijala je 2000. godine kada su Miler i njegov kolega Džon Dankan odbranili iznenađujući rezultat studije kognicije u Milerovoj laboratoriji. Dok su životinje sortirale slike u kategorije, činilo se da je oko 30% neurona u prefrontalnom korteksu mozga uključeno.
Skeptici koji su verovali da svaki neuron ima namensku funkciju, podsmevali su se da će mozak posvetiti toliko ćelija samo jednom zadatku. Miler i Dankanov odgovor je bio da možda ćelije imaju fleksibilnost da budu uključene u mnoge proračune. Sposobnost da služe u jednoj cerebralnoj operativnoj grupi, takoreći, nije ih sprečila da budu u stanju da služe mnogim drugim.
Ali kakvu korist donosi mešana selektivnost? Godine 2013. Miler se udružio sa dva koautora novog rada, Matijom Rigotijem iz IBM Research-a i Stefanom Fusijem sa Univerziteta Kolumbija, kako bi pokazao kako mešovita selektivnost daje mozgu moćnu fleksibilnost računara. U suštini, ansambl neurona sa mešovitom selektivnošću može da primi mnogo više dimenzija informacija o zadatku nego populacija neurona sa invarijantnim funkcijama.
„Od našeg originalnog rada, napredovali smo u razumevanju teorije mešovite selektivnosti kroz sočivo klasičnih ideja mašinskog učenja“, rekao je Rigoti. „S druge strane, pitanja draga eksperimentalcima o mehanizmima koji to implementiraju na ćelijskom nivou bila su relativno nedovoljno istražena. Ova saradnja i ovaj novi rad su imali za cilj da popune tu prazninu.“
U novom radu autori zamišljaju miša koji razmišlja da li da pojede bobicu. Možda ukusno miriše (to je jedna dimenzija). Možda je otrovno (to je drugo). Još jedna ili dve dimenzije problema mogu doći u obliku društvenog znaka. Ako miš oseti miris bobica na dahu drugog miša, onda je bobica verovatno u redu za jelo (u zavisnosti od očiglednog zdravlja drugog miša). Neuralni ansambl sa mešovitom selektivnošću bi sve to mogao da integriše.
Dok mešovita selektivnost ima podršku obilnih dokaza — primećena je širom korteksa i u drugim oblastima mozga kao što su hipokampus i amigdala — još uvek postoje otvorena pitanja. Na primer, kako se neuroni regrutuju za zadatke i kako neuroni koji su tako „otvorenog uma“ ostaju podešeni samo na ono što je zaista važno za misiju?
U novoj studiji, istraživači, među kojima su i Markus Bena sa UC San Dijega i Feliks Tašbah sa Instituta Salk, definišu oblike mešovite selektivnosti koje su istraživači primetili i tvrde da kada oscilacije (takođe poznate kao „moždani talasi“) i neuromodulatori (hemikalije kao što su serotonin ili dopamin koje utiču na nervne funkcije) regrutuju neurone u kompjuterske ansamble, oni im takođe pomažu da „pretvore“ ono što je važno za tu svrhu.
Naravno, neki neuroni su posvećeni određenom ulazu, ali autori primećuju da su oni pre izuzetak nego pravilo. Autori kažu da ove ćelije imaju „čistu selektivnost“. Brine ih samo da li zec vidi zelenu salatu. Neki neuroni pokazuju „linearnu mešovitu selektivnost“, što znači da njihov odgovor predvidljivo zavisi od višestrukih ulaza koji se zbrajaju (zec vidi zelenu salatu i oseća se gladno).
Neuroni koji daju najveću dimenzionalnu fleksibilnost su oni „nelinearna mešovita selektivnost“ koji mogu da uračunaju više nezavisnih varijabli bez nužnog njihovog sabiranja. Umesto toga, oni mogu težiti čitavom nizu nezavisnih uslova (npr. ima zelene salate, gladan sam, ne čujem jastrebove, ne osećam miris kojota, ali zelena salata je daleko i vidim prilično čvrstu ogradu).
Dakle, šta dovodi neurone u preklop da se fokusiraju na istaknute faktore, koliko god da ih ima? Jedan mehanizam su oscilacije, koje se proizvode u mozgu kada mnogi neuroni održavaju svoju električnu aktivnost u istom ritmu. Ova koordinirana aktivnost omogućava deljenje informacija, u suštini ih podešavajući zajedno kao gomila automobila koji svi puštaju istu radio stanicu (možda je emisija o sokolu koji kruži iznad glave).
Drugi mehanizam koji autori ističu su neuromodulatori. To su hemikalije koje po dolasku do receptora unutar ćelija mogu uticati i na njihovu aktivnost. Eksplozija acetilholina, na primer, može na sličan način da podesi neurone sa pravim receptorima na određenu aktivnost ili informaciju (kao možda onaj osećaj gladi).
„Ova dva mehanizma verovatno rade zajedno kako bi dinamički formirali funkcionalne mreže“, pišu autori.
Razumevanje mešovite selektivnosti, nastavljaju, ključno je za razumevanje kognicije.
„Mešovita selektivnost je sveprisutna“, zaključuju. „Prisutan je među vrstama i među funkcijama, od kognicije na visokom nivou do ‘automatskih’ senzomotornih procesa kao što je prepoznavanje objekata. Široko rasprostranjeno prisustvo mešovite selektivnosti naglašava njenu fundamentalnu ulogu u obezbeđivanju mozgu skalabilne procesorske moći potrebne za kompleksno razmišljanje i akciju.“
