Kraften i blandad selektivitet: att förstå hjärnans funktion och kognition

Varje dag strävar våra hjärnor efter att optimera en avvägning: med så många händelser som händer runt omkring oss, och samtidigt så många inre drifter och minnen, måste våra tankar vara flexibla men tillräckligt fokuserade för att vägleda allt vi behöver göra. I en ny artikel i tidskriften Neuron beskriver ett team av neuroforskare hur hjärnan uppnår den kognitiva förmågan att integrera all relevant information utan att bli överväldigad av det som inte spelar någon roll.

Författarna menar att denna flexibilitet härrör från en viktig egenskap som observerats hos många neuroner: "blandad selektivitet". Medan många neuroforskare tidigare trodde att varje cell bara hade en specialiserad funktion, har nyare bevis visat att många neuroner kan delta i olika beräkningsensembler som arbetar parallellt. Med andra ord, när en kanin funderar på att knapra på lite sallad i trädgården, kan en enda neuron vara involverad inte bara i att bedöma dess hunger, utan också i att höra en hök ovanför eller känna lukten av en prärievarg i träden och bedöma hur långt bort salladen är.

Hjärnan gör inte flera saker samtidigt, säger artikelns medförfattare Earl K. Miller, professor vid Picower Institute for the Study of Learning and Memory vid MIT och en av pionjärerna inom idén om blandad selektivitet, men många celler har förmågan att utföra flera beräkningar (i huvudsak "tankar"). I den nya artikeln beskriver författarna de specifika mekanismer som hjärnan använder för att rekrytera neuroner till olika beräkningar och för att säkerställa att dessa neuroner representerar rätt antal dimensioner av en komplex uppgift.

Dessa neuroner utför många funktioner. Med blandad selektivitet kan man ha ett representationsutrymme som är så komplext som man behöver det, och inte mer. Det är där flexibiliteten i kognitiv funktion ligger.

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

Medförfattaren Kay Tai, professor vid Salk Institute och University of California, San Diego, sa att blandad selektivitet bland neuroner, särskilt i den mediala prefrontala cortexen, är nyckeln till att möjliggöra många mentala förmågor.

"MPFC är som en viskning som representerar så mycket information genom mycket flexibla och dynamiska ensembler", sa Tai. "Blandad selektivitet är den egenskap som ger oss vår flexibilitet, kognitiva förmåga och kreativitet. Det är hemligheten bakom att maximera beräkningskraften, vilket i huvudsak är grunden för intelligens."

Idéns ursprung

Idén om blandad selektivitet fick sin början år 2000, när Miller och hans kollega John Duncan försvarade ett överraskande resultat från en studie av kognitiv funktion i Millers laboratorium. När djur sorterade bilder i kategorier verkade cirka 30 procent av neuronerna i hjärnans prefrontala cortex rekryteras. Skeptiker som trodde att varje neuron hade en dedikerad funktion hånade idén att hjärnan kunde dedikera så många celler till bara en uppgift. Miller och Duncans svar var att cellerna kanske hade flexibiliteten att delta i många beräkningar. Förmågan att tjäna i en hjärngrupp, som den gjorde, uteslöt inte deras förmåga att tjäna många andra.

Men vilka fördelar ger blandad selektivitet? År 2013 samarbetade Miller med två medförfattare till den nya artikeln, Mattia Rigotti från IBM Research och Stefano Fusi från Columbia University, för att visa hur blandad selektivitet ger hjärnan kraftfull beräkningsflexibilitet. I huvudsak kan en ensemble av neuroner med blandad selektivitet rymma många fler dimensioner av information om en uppgift än en population av neuroner med fasta funktioner.

"Sedan vårt ursprungliga arbete har vi gjort framsteg i förståelsen av teorin om blandad selektivitet genom linsen av klassiska maskininlärningsidéer", sa Rigotti. "Å andra sidan har frågor som är viktiga för experimentister om mekanismerna som implementerar detta på cellnivå varit relativt understuderade. Detta samarbete och denna nya artikel syftar till att fylla den luckan."

I den nya artikeln föreställer författarna sig en mus som bestämmer sig för om den ska äta ett bär. Det kan lukta gott (det är en dimension). Det kan vara giftigt (det är en annan). En eller två andra dimensioner av problemet kan komma i form av en social signal. Om en mus känner lukten av ett bär i en annan mus andedräkt är bäret förmodligen ätbart (beroende på den andra musens skenbara hälsa). En neural ensemble med blandad selektivitet skulle kunna integrera allt detta.

Attrahera neuroner

Även om blandad selektivitet stöds av rikliga bevis – det har observerats i hela cortex och i andra hjärnregioner som hippocampus och amygdala – kvarstår öppna frågor. Till exempel, hur rekryteras neuroner till uppgifter, och hur håller sig neuroner som är så vidsynta inställda på bara det som är verkligt kritiskt för verksamheten?

I den nya studien identifierar forskare, inklusive Marcus Benna från UC San Diego och Felix Taschbach från Salk Institute, de former av blandad selektivitet som forskarna observerade och argumenterar för att när oscillationer (även kända som "hjärnvågor") och neuromodulatorer (kemikalier som serotonin eller dopamin som påverkar neural funktion) rekryterar neuroner till beräkningsensembler, hjälper de dem också att "filtrera" vad som är viktigt för det ändamålet.

Naturligtvis specialiserar sig vissa neuroner på en viss input, men författarna påpekar att de är undantaget, inte regeln. Dessa celler, säger författarna, har "ren selektivitet". De bryr sig bara om kaninen ser sallad. Vissa neuroner uppvisar "linjär blandad selektivitet", vilket innebär att deras svar förutsägbart beror på summan av flera input (kaninen ser sallad och känner sig hungrig). De neuroner som ger mest mätflexibilitet är de med "icke-linjär blandad selektivitet", som kan ta hänsyn till flera oberoende variabler utan att behöva summera dem alla. Istället kan de ta hänsyn till en hel uppsättning oberoende förhållanden (t.ex. det finns sallad, jag är hungrig, jag kan inte höra hökar, jag kan inte lukta prärievargar, men salladen är långt borta, och jag kan se ett ganska robust staket).

Så vad är det som lockar neuroner att fokusera på meningsfulla faktorer, oavsett hur många det finns? En mekanism är oscillationer, som uppstår i hjärnan när många neuroner upprätthåller sin elektriska aktivitet i samma rytm. Denna koordinerade aktivitet gör att information kan delas, vilket i huvudsak stämmer dem samman, som en grupp bilar som alla spelar samma radiostation (kanske en hök som cirklar ovanför). En annan mekanism som författarna lyfter fram är neuromodulatorer. Dessa är kemikalier som, när de når receptorer inuti celler, också kan påverka deras aktivitet. Till exempel kan en ökning av acetylkolin på liknande sätt ställa in neuroner med lämpliga receptorer till en viss aktivitet eller information (kanske känslan av hunger).

"Dessa två mekanismer arbetar sannolikt tillsammans för att dynamiskt bilda funktionella nätverk", skriver författarna.

Att förstå blandad selektivitet, fortsätter de, är avgörande för att förstå kognition.

"Blandad selektivitet är allestädes närvarande", avslutar de. "Den finns i alla arter och fyller funktioner som sträcker sig från högnivåkognition till 'automatiska' sensomotoriska processer som objektigenkänning. Den utbredda förekomsten av blandad selektivitet belyser dess grundläggande roll i att förse hjärnan med den skalbara processorkraft som krävs för komplext tänkande och handling."

Detaljer om studien finns på CELL-tidskriftens sida