Die Macht der gemischten Selektivität: Gehirnfunktion und Kognition verstehen

Jeden Tag versucht unser Gehirn, einen Kompromiss zu optimieren: Bei vielen Ereignissen um uns herum und gleichzeitig vielen inneren Antrieben und Erinnerungen müssen unsere Gedanken flexibel, aber fokussiert genug sein, um alles zu leiten, was wir tun müssen. In einem neuen Artikel in der Zeitschrift Neuron beschreibt ein Team von Neurowissenschaftlern, wie das Gehirn die kognitive Fähigkeit erlangt, alle relevanten Informationen zu integrieren, ohne von den nicht relevanten überwältigt zu werden.

Die Autoren argumentieren, dass Flexibilität auf eine Schlüsseleigenschaft zurückzuführen ist, die bei vielen Neuronen beobachtet wird: „gemischte Selektivität“. Während viele Neurowissenschaftler früher dachten, dass jede Zelle nur eine spezialisierte Funktion hat, haben neuere Erkenntnisse gezeigt, dass viele Neuronen an verschiedenen parallel arbeitenden Computerensembles teilnehmen können. Mit anderen Worten: Wenn ein Kaninchen erwägt, im Garten an Salat zu knabbern, ist ein Neuron möglicherweise nicht nur an der Beurteilung seines Hungers beteiligt, sondern auch daran, einen Falken über ihm zu hören oder einen Kojote in den Bäumen zu riechen und zu bestimmen, wie weit der Salat entfernt ist. p>

Das Gehirn ist kein Multitasker, sagte Co-Autor Earl K. Miller, Professor am Picower Institute for Learning and Memory am MIT und einer der Pioniere der Idee der gemischten Selektivität, aber viele Zellen sind in der Lage, mehrere Rechenprozesse (im Wesentlichen „Gedanken“) durchzuführen. In dem neuen Artikel beschreiben die Autoren bestimmte Mechanismen, die das Gehirn verwendet, um Neuronen für verschiedene Berechnungen zu rekrutieren und sicherzustellen, dass diese Neuronen die richtige Anzahl von Dimensionen eines komplexen Problems darstellen.

Diese Neuronen erfüllen viele Funktionen. Mit gemischter Selektivität ist es möglich, einen repräsentativen Raum zu haben, der so komplex ist wie nötig und nicht mehr. Darin liegt die Flexibilität der kognitiven Funktion.“

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

Co-Autorin Kaye Tai, Professorin am Salk Institute und der University of California, San Diego, sagte, dass gemischte Selektivität unter Neuronen, insbesondere im medialen präfrontalen Kortex, der Schlüssel zur Ermöglichung vieler geistiger Fähigkeiten sei.

„Der MPFC ist wie ein Flüstern, das so viele Informationen durch hochflexible und dynamische Ensembles darstellt“, sagte Tai. „Gemischte Selektivität ist die Eigenschaft, die uns unsere Flexibilität, kognitiven Fähigkeiten und Kreativität verleiht. Sie ist das Geheimnis zur Maximierung der Verarbeitungsleistung, die im Wesentlichen die Grundlage der Intelligenz ist.“

Ursprung der Idee

Die Idee der gemischten Selektivität entstand im Jahr 2000, als Miller und sein Kollege John Duncan ein überraschendes Ergebnis aus der Forschung zur kognitiven Funktion in Millers Labor verteidigten. Als die Tiere die Bilder in Kategorien sortierten, schienen etwa 30 Prozent der Neuronen im präfrontalen Kortex des Gehirns aktiviert zu sein. Skeptiker, die glaubten, dass jedes Neuron eine dedizierte Funktion hatte, spotteten über die Idee, dass das Gehirn so viele Zellen nur einer Aufgabe widmen könnte. Millers und Duncans Antwort war, dass Zellen vielleicht die Flexibilität hätten, an vielen Berechnungen teilzunehmen. Die Fähigkeit, in einer Gehirngruppe zu dienen, schloss nicht aus, dass sie auch in vielen anderen Gruppen dienen konnten.

Aber welche Vorteile bringt gemischte Selektivität? 2013 tat sich Miller mit zwei Co-Autoren eines neuen Artikels zusammen, Mattia Rigotti von IBM Research und Stefano Fusi von der Columbia University, um zu zeigen, wie gemischte Selektivität dem Gehirn eine starke Rechenflexibilität verleiht. Im Wesentlichen kann ein Ensemble von Neuronen mit gemischter Selektivität viel mehr Dimensionen von Aufgabeninformationen aufnehmen als eine Population von Neuronen mit invarianten Funktionen.

„Seit unserer anfänglichen Arbeit haben wir Fortschritte beim Verständnis der Theorie der gemischten Selektivität durch die Linse klassischer Ideen des maschinellen Lernens gemacht“, sagte Rigotti. „Andererseits wurden für Experimentatoren wichtige Fragen zu den Mechanismen, die dies auf zellulärer Ebene bewirken, relativ wenig erforscht. Diese Zusammenarbeit und dieser neue Artikel sollten diese Lücke schließen.“

In dem neuen Artikel präsentieren die Autoren eine Maus, die entscheidet, ob sie eine Beere isst. Sie kann köstlich riechen (das ist eine Dimension). Sie kann giftig sein (das ist eine andere Sache). Eine oder zwei weitere Dimensionen des Problems können in Form eines sozialen Signals auftreten. Wenn eine Maus eine Beere im Atem einer anderen Maus riecht, dann ist die Beere wahrscheinlich essbar (abhängig vom offensichtlichen Gesundheitszustand der anderen Maus). Ein neuronales Ensemble mit gemischter Selektivität wird in der Lage sein, all dies zu integrieren.

Anziehende Neuronen

Obwohl gemischte Selektivität durch zahlreiche Beweise gestützt wird – sie wurde im gesamten Cortex und in anderen Gehirnregionen wie dem Hippocampus und der Amygdala beobachtet – bleiben offene Fragen. Wie werden beispielsweise Neuronen für Aufgaben rekrutiert und wie bleiben Neuronen, die so „aufgeschlossen“ sind, nur auf das konzentriert, was für die Mission wirklich wichtig ist?

In einer neuen Studie identifizieren Forscher, darunter Marcus Benna von der UC San Diego und Felix Taschbach vom Salk Institute, die von den Forschern beobachteten Formen gemischter Selektivität und argumentieren, dass Schwingungen (auch als „Gehirnwellen“ bekannt) und Neuromodulatoren (chemische Substanzen wie Serotonin oder Dopamin, die die neuronale Funktion beeinflussen) Neuronen in Computerensembles ziehen und ihnen auch dabei helfen, das zu „filtern“, was für diesen Zweck wichtig ist.

Natürlich sind einige Neuronen auf einen bestimmten Input spezialisiert, aber die Autoren weisen darauf hin, dass sie die Ausnahme und nicht die Regel sind. Die Autoren sagen, diese Zellen hätten „reine Selektivität“. Es ist ihnen nur wichtig, ob das Kaninchen den Salat sieht. Einige Neuronen weisen „lineare gemischte Selektivität“ auf, was bedeutet, dass ihre Reaktion vorhersehbar von der Summe mehrerer Inputs abhängt (ein Kaninchen sieht Salat und hat Hunger). Die größte Messflexibilität bieten Neuronen mit „nichtlinearer gemischter Selektivität“, die mehrere unabhängige Variablen berücksichtigen können, ohne sie summieren zu müssen. Stattdessen können sie eine ganze Reihe unabhängiger Bedingungen berücksichtigen (z. B. Da ist Salat, ich habe Hunger, ich höre keine Falken, ich rieche keine Kojoten, aber der Salat ist weit weg und ich kann einen ziemlich starken Zaun sehen).

Was also bringt Neuronen dazu, sich auf signifikante Faktoren zu konzentrieren, egal wie viele es davon gibt? Ein Mechanismus ist die Oszillation, die im Gehirn auftritt, wenn viele Neuronen ihre elektrische Aktivität im gleichen Rhythmus aufrechterhalten. Diese koordinierte Aktivität ermöglicht den Informationsaustausch und stimmt sie im Wesentlichen aufeinander ab, wie eine Gruppe von Autos, die alle denselben Radiosender spielen (vielleicht eine Sendung von einem Falken, der über ihnen kreist). Ein weiterer Mechanismus, den die Autoren hervorheben, sind Neuromodulatoren. Dies sind Chemikalien, die, wenn sie Rezeptoren in Zellen erreichen, auch deren Aktivität beeinflussen können. Ein Anstieg von Acetylcholin kann beispielsweise Neuronen mit entsprechenden Rezeptoren auf eine bestimmte Aktivität oder Information (beispielsweise das Hungergefühl) vorbereiten.

„Diese beiden Mechanismen arbeiten wahrscheinlich zusammen, um dynamisch funktionelle Netzwerke zu bilden“, schreiben die Autoren.

Das Verständnis der gemischten Selektivität, so fahren sie fort, ist entscheidend für das Verständnis der Kognition.

„Gemischte Selektivität ist allgegenwärtig“, schlussfolgern sie. "Es ist bei allen Arten vorhanden und erfüllt eine Vielzahl von Funktionen, von hochrangiger Wahrnehmung bis hin zu 'automatischen' sensorischen und motorischen Prozessen wie der Objekterkennung. Das weit verbreitete Vorkommen gemischter Selektivität unterstreicht seine grundlegende Rolle bei der Bereitstellung der skalierbaren Verarbeitungsleistung für das Gehirn, die für komplexe Gedanken und Handlungen erforderlich ist." p>

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