Kraften i blandet selektivitet: forståelse av hjernens funksjon og kognisjon

Hver dag streber hjernen vår etter å optimalisere en avveining: med så mange hendelser som skjer rundt oss, og samtidig så mange indre lyster og minner, må tankene våre være fleksible, men fokuserte nok til å veilede alt vi trenger å gjøre. I en ny artikkel i tidsskriftet Neuron beskriver et team av nevroforskere hvordan hjernen oppnår den kognitive evnen til å integrere all relevant informasjon uten å bli overveldet av det som ikke betyr noe.

Forfatterne argumenterer for at denne fleksibiliteten stammer fra en nøkkelegenskap observert i mange nevroner: «blandet selektivitet». Mens mange nevroforskere tidligere trodde at hver celle bare hadde én spesialisert funksjon, har nyere bevis vist at mange nevroner kan delta i forskjellige beregningsensembler som jobber parallelt. Med andre ord, når en kanin vurderer å gnage på litt salat i hagen, kan en enkelt nevron være involvert ikke bare i å vurdere dens sult, men også i å høre en hauk over hodet eller lukte en prærieulv i trærne og bedømme hvor langt unna salaten er.

Hjernen multitasker ikke, sa medforfatter av artikkelen Earl K. Miller, professor ved Picower Institute for the Study of Learning and Memory ved MIT og en av pionerene innen ideen om blandet selektivitet, men mange celler har evnen til å utføre flere beregninger (i hovedsak «tanker»). I den nye artikkelen beskriver forfatterne de spesifikke mekanismene hjernen bruker for å rekruttere nevroner til forskjellige beregninger og for å sikre at disse nevronene representerer riktig antall dimensjoner av en kompleks oppgave.

Disse nevronene utfører mange funksjoner. Med blandet selektivitet kan du ha et representasjonsrom som er så komplekst som du trenger det, og ikke mer. Det er der fleksibiliteten til kognitiv funksjon ligger.

Earl K. Miller, professor, Picower-instituttet for studier av læring og hukommelse, Massachusetts Institute of Technology

Medforfatter Kay Tai, professor ved Salk Institute og University of California, San Diego, sa at blandet selektivitet blant nevroner, spesielt i den mediale prefrontale cortex, er nøkkelen til å muliggjøre mange mentale evner.

«MPFC er som en hvisking som representerer så mye informasjon gjennom svært fleksible og dynamiske ensembler», sa Tai. «Blandet selektivitet er egenskapen som gir oss vår fleksibilitet, kognitive evne og kreativitet. Det er hemmeligheten bak å maksimere beregningskraften, som i hovedsak er grunnlaget for intelligens.»

Ideens opprinnelse

Ideen om blandet selektivitet startet i 2000, da Miller og hans kollega John Duncan forsvarte et overraskende resultat fra en studie av kognitiv funksjon i Millers laboratorium. Når dyr sorterte bilder i kategorier, så det ut til at omtrent 30 prosent av nevronene i hjernens prefrontale cortex ble rekruttert. Skeptikere som trodde at hver nevron hadde en dedikert funksjon, fnyste av ideen om at hjernen kunne dedikere så mange celler til bare én oppgave. Miller og Duncans svar var at cellene kanskje hadde fleksibiliteten til å delta i mange beregninger. Evnen til å tjene i én hjernegruppe, slik den gjorde, utelukket ikke deres evne til å tjene mange andre.

Men hvilken fordel gir blandet selektivitet? I 2013 slo Miller seg sammen med to medforfattere av den nye artikkelen, Mattia Rigotti fra IBM Research og Stefano Fusi fra Columbia University, for å vise hvordan blandet selektivitet gir hjernen kraftig beregningsfleksibilitet. I hovedsak kan et ensemble av nevroner med blandet selektivitet romme mange flere dimensjoner av informasjon om en oppgave enn en populasjon av nevroner med faste funksjoner.

«Siden vårt opprinnelige arbeid har vi gjort fremskritt i forståelsen av teorien om blandet selektivitet gjennom linsen til klassiske maskinlæringsideer», sa Rigotti. «På den annen side har spørsmål som er viktige for eksperimentelle om mekanismene som implementerer dette på cellenivå, blitt relativt understudert. Dette samarbeidet og denne nye artikkelen tar sikte på å fylle dette gapet.»

I den nye artikkelen ser forfatterne for seg en mus som bestemmer seg for om den skal spise et bær. Det kan lukte deilig (det er én dimensjon). Det kan være giftig (det er en annen). En eller to andre dimensjoner av problemet kan komme i form av et sosialt signal. Hvis en mus lukter et bær på en annen mus' pust, er bæret sannsynligvis spiselig (avhengig av den andre musens tilsynelatende helsetilstand). Et nevralt ensemble med blandet selektivitet kan integrere alt dette.

Tiltrekke nevroner

Selv om blandet selektivitet støttes av rikelig bevis – det har blitt observert i hele cortex og i andre hjerneområder som hippocampus og amygdala – gjenstår åpne spørsmål. For eksempel, hvordan rekrutteres nevroner til oppgaver, og hvordan holder nevroner som er så vidsynte seg innstilt på bare det som virkelig er kritisk for virksomheten?

I den nye studien identifiserer forskere, inkludert Marcus Benna fra UC San Diego og Felix Taschbach fra Salk Institute, formene for blandet selektivitet forskerne observerte, og argumenterer for at når oscillasjoner (også kjent som "hjernebølger") og nevromodulatorer (kjemikalier som serotonin eller dopamin som påvirker nevral funksjon) rekrutterer nevroner til beregningsensembler, hjelper de dem også med å "filtrere" det som er viktig for det formålet.

Noen nevroner spesialiserer seg selvsagt på en bestemt input, men forfatterne påpeker at de er unntaket, ikke regelen. Disse cellene, sier forfatterne, har «ren selektivitet». De bryr seg bare om kaninen ser salat. Noen nevroner viser «lineær blandet selektivitet», som betyr at responsen deres avhenger forutsigbart av summen av flere input (kaninen ser salat og føler seg sulten). Nevronene som gir mest målefleksibilitet er de med «ikke-lineær blandet selektivitet», som kan ta hensyn til flere uavhengige variabler uten å måtte summere dem alle sammen. I stedet kan de ta hensyn til et helt sett med uavhengige betingelser (f.eks. det er salat, jeg er sulten, jeg kan ikke høre hauker, jeg kan ikke lukte prærieulver, men salaten er langt unna, og jeg kan se et ganske solid gjerde).

Så hva er det som tiltrekker nevroner til å fokusere på meningsfulle faktorer, uansett hvor mange det er? Én mekanisme er oscillasjoner, som oppstår i hjernen når mange nevroner opprettholder sin elektriske aktivitet i samme rytme. Denne koordinerte aktiviteten tillater deling av informasjon, i hovedsak å stille dem sammen, som en gruppe biler som alle spiller samme radiostasjon (kanskje en sending av en hauk som sirkler over hodet). En annen mekanisme forfatterne fremhever er nevromodulatorer. Dette er kjemikalier som, når de når reseptorer inne i celler, også kan påvirke aktiviteten deres. For eksempel kan en økning i acetylkolin på lignende måte stille inn nevroner med de riktige reseptorene til en bestemt aktivitet eller informasjon (kanskje følelsen av sult).

«Disse to mekanismene fungerer sannsynligvis sammen for å dynamisk danne funksjonelle nettverk», skriver forfatterne.

Å forstå blandet selektivitet, fortsetter de, er avgjørende for å forstå kognisjon.

«Blandet selektivitet er allestedsnærværende», konkluderer de. «Den er tilstede på tvers av arter og tjener funksjoner som spenner fra kognisjon på høyt nivå til 'automatiske' sensorimotoriske prosesser som objektgjenkjenning. Den utbredte forekomsten av blandet selektivitet fremhever dens grunnleggende rolle i å gi hjernen den skalerbare prosesseringskraften som kreves for kompleks tanke og handling.»

Detaljer om studien er tilgjengelige på CELL-tidsskriftets side