Kraften i blandad selektivitet: Förstå hjärnans funktion och kognition

Varje dag strävar vår hjärna efter att optimera en avvägning: med många händelser som händer runt omkring oss, och samtidigt många interna 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 är relevant.

Författarna hävdar att flexibilitet härrör från en nyckelegenskap som observeras i 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 sallad i trädgården, kan en neuron vara inblandad inte bara i att bedöma sin hunger, utan också i att höra en hök över huvudet eller känna lukten av en prärievarg i träden och avgöra hur långt bort salladen är.. p>

Hjärnan är inte en mångsysslare, säger medförfattaren Earl K. Miller, professor vid Picower Institute for Learning and Memory vid MIT och en av pionjärerna inom idén om blandad selektivitet, men många celler har förmågan att engagera sig i flera beräkningsprocesser (i huvudsak "tankar"). I den nya artikeln beskriver författarna specifika mekanismer som hjärnan använder för att rekrytera neuroner för att utföra olika beräkningar och för att säkerställa att dessa neuroner representerar det korrekta antalet dimensioner av ett komplext problem.

Dessa nervceller utför många funktioner. Med blandad selektivitet är det möjligt att få ett representativt utrymme som är så komplext som det behöver vara och inte mer. Det är här den kognitiva funktionens flexibilitet ligger."

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

Medförfattare Kaye Tai, professor vid Salk Institute och University of California, San Diego, sa att blandad selektivitet bland neuroner, särskilt i den mediala prefrontala cortex, 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 egenskapen som ger oss vår flexibilitet, kognitiva förmåga och kreativitet. Det är hemligheten bakom att maximera processorkraften, vilket i grunden är grunden för intelligens."

Idéns ursprung

Idén om blandad selektivitet uppstod år 2000, när Miller och hans kollega John Duncan försvarade ett överraskande resultat från forskning om kognitiv funktion i Millers laboratorium. När djuren sorterade bilderna i kategorier verkade cirka 30 procent av nervcellerna i hjärnans prefrontala cortex vara aktiverade. Skeptiker som trodde att varje neuron hade en dedikerad funktion hånade tanken på att hjärnan kunde dedikera så många celler till bara en uppgift. Miller och Duncans svar var att celler kanske hade flexibiliteten att delta i många beräkningar. Förmågan att tjäna i en hjärngrupp, som den var, uteslöt inte deras förmåga att tjäna många andra.

Men vilka fördelar ger blandad selektivitet? 2013 slog Miller ihop med två medförfattare till en ny artikel, 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 uppgiftsinformation än en population av neuroner med invarianta funktioner.

"Sedan vårt första arbete har vi gjort framsteg i att förstå teorin om blandad selektivitet genom linsen av klassiska maskininlärningsidéer," sa Rigotti. "Å andra sidan har frågor som är viktiga för experimentalister om mekanismerna som gör detta på cellnivå undersökts relativt lite. Detta samarbete och detta nya dokument syftade till att fylla denna lucka."

I den nya tidningen presenterar författarna en mus som bestämmer om de ska äta ett bär. Hon kanske luktar gott (det är en dimension). Det kan vara giftigt (det är en annan sak). En annan dimension eller två av problemet kan uppstå i form av en social signal. Om en mus luktar ett bär i en annan muss andetag, är bäret förmodligen ätbart (beroende på den andra musens synbara hälsa). En neural ensemble med blandad selektivitet kommer att kunna integrera allt detta.

Attara till sig neuroner

Även om blandad selektivitet stöds av rikligt med 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 kan neuroner som är så "vidsynta" bara hålla sig inställda på det som verkligen är viktigt för uppdraget?

I en ny studie identifierar forskare inklusive Marcus Benna från UC San Diego och Felix Taschbach från Salk Institute de former av blandad selektivitet som forskarna observerade och hävdar att när oscillationer (även känd som "hjärnvågor") och neuromodulatorer ( kemiska ämnen som serotonin eller dopamin som påverkar neurala funktioner) attraherar neuroner i beräkningsensembler, de hjälper dem också att "filtrera" det som är viktigt för detta ändamål.

Naturligtvis är vissa neuroner specialiserade för en viss input, men författarna noterar att de är undantaget, inte regeln. Författarna säger att dessa celler har "ren selektivitet". De bryr sig bara om kaninen ser salladen. Vissa neuroner uppvisar "linjär blandad selektivitet", vilket betyder att deras svar beror förutsägbart på summan av flera ingångar (en kanin ser sallad och känner sig hungrig). De neuroner som tillför mest mätflexibilitet är de med "icke-linjär blandad selektivitet", som kan stå för flera oberoende variabler utan att behöva summera dem. Istället kan de ta hänsyn till en hel uppsättning oberoende förhållanden (det finns till exempel sallad, jag är hungrig, jag hör inga hökar, jag känner inte lukten av prärievargar, men salladen är långt borta och jag kan se ett ganska starkt staket).

Så, vad lockar neuroner att fokusera på viktiga faktorer, oavsett hur många det finns? En mekanism är oscillation, som uppstår i hjärnan när många neuroner bibehåller sin elektriska aktivitet i samma rytm. Denna samordnade aktivitet gör det möjligt att dela information, i huvudsak ställa in dem som en grupp bilar som alla spelar samma radiostation (kanske en sändning av en hök som cirkulerar 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 prima neuroner med motsvarande receptorer för en specifik aktivitet eller information (kanske hungerkänslan).

"Dessa två mekanismer fungerar 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. "Det finns över arter och tjänar en mängd olika funktioner från kognition på hög nivå till "automatiska" sensorimotoriska processer som objektigenkänning. Den utbredda förekomsten av blandad selektivitet framhäver dess grundläggande roll i att förse hjärnan med den skalbara bearbetningskraften som behövs för komplexa tankar och handlingar." p>

Läs mer om studien på CELL magazine