כוחה של סלקטיביות מעורבת: הבנת תפקוד המוח והקוגניציה

בכל יום, המוח שלנו שואף לייעל את הפשרה: עם כל כך הרבה אירועים המתרחשים סביבנו, ובו זמנית כל כך הרבה דחפים פנימיים וזיכרונות, המחשבות שלנו חייבות להיות גמישות אך ממוקדות מספיק כדי להנחות את כל מה שאנחנו צריכים לעשות. במאמר חדש בכתב העת Neuron, צוות של מדעני מוח מתאר כיצד המוח משיג את היכולת הקוגניטיבית לשלב את כל המידע הרלוונטי מבלי להיות מוצף ממה שלא חשוב.

המחברים טוענים כי גמישות זו נובעת מתכונה מרכזית שנצפתה בנוירונים רבים: "סלקטיביות מעורבת". בעוד שחוקרי מוח רבים חשבו בעבר שלכל תא יש רק פונקציה מיוחדת אחת, ראיות עדכניות יותר הראו כי נוירונים רבים יכולים להשתתף בהרכבים חישוביים שונים הפועלים במקביל. במילים אחרות, כאשר ארנב שוקל לכרסם חסה בגינה, נוירון בודד עשוי להיות מעורב לא רק בהערכת רעבונו, אלא גם בשמיעת נץ מעל הראש או בהריחת זאב ערבות בין העצים ובהערכת המרחק של החסה.

המוח אינו מבצע ריבוי משימות, אמר ארל ק. מילר, פרופסור במכון פיקואר לחקר למידה וזיכרון ב-MIT ואחד מחלוצי רעיון הסלקטיביות המעורבת, אך לתאים רבים יש את היכולת לבצע חישובים מרובים (בעיקרון, "מחשבות"). במאמר החדש, המחברים מתארים את המנגנונים הספציפיים שהמוח משתמש בהם כדי לגייס נוירונים לחישובים שונים ולהבטיח שנוירונים אלה מייצגים את מספר הממדים הנכון של משימה מורכבת.

נוירונים אלה מבצעים פונקציות רבות. בעזרת סלקטיביות מעורבת, ניתן ליצור מרחב ייצוגי מורכב ככל הנדרש, ולא יותר. שם טמונה הגמישות של התפקוד הקוגניטיבי.

ארל ק. מילר, פרופסור, מכון פיקואר לחקר למידה וזיכרון, המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס

קיי טאי, פרופסור במכון סאלק ובאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו, אמרה כי סלקטיביות מעורבת בין נוירונים, במיוחד בקליפת המוח הקדם-מצחית המדיאלית, היא המפתח לאפשרות יכולות שכליות רבות.

"ה-MPFC הוא כמו לחישה שמייצגת כל כך הרבה מידע באמצעות הרכבים גמישים ודינמיים ביותר", אמר טאי. "סלקטיביות מעורבת היא התכונה שמעניקה לנו את הגמישות, היכולת הקוגניטיבית והיצירתיות שלנו. זהו הסוד למקסום כוח החישוב, שהוא למעשה הבסיס לאינטליגנציה."

מקור הרעיון

רעיון הסלקטיביות המעורבת החל את דרכו בשנת 2000, כאשר מילר ועמיתו ג'ון דאנקן הגנו על תוצאה מפתיעה ממחקר על תפקוד קוגניטיבי במעבדתו של מילר. כאשר בעלי חיים מינו תמונות לקטגוריות, נראה כי כ-30 אחוז מהנוירונים בקליפת המוח הקדם-מצחית של המוח גויסו. ספקנים שהאמינו שלכל נוירון יש פונקציה ייעודית לעגו לרעיון שהמוח יכול להקדיש כל כך הרבה תאים למשימה אחת בלבד. תשובתם של מילר ודאנקן הייתה שאולי לתאים יש את הגמישות להשתתף בחישובים רבים. היכולת לשרת בקבוצת מוח אחת, כפי שהיה, לא שללה את יכולתם לשרת קבוצת מוח רבה אחרת.

אבל איזו תועלת מביאה סלקטיביות מעורבת? בשנת 2013, מילר חבר לשני מחברי המאמר החדש, מתיה ריגוטי מ-IBM Research וסטפנו פוסי מאוניברסיטת קולומביה, כדי להראות כיצד סלקטיביות מעורבת מעניקה למוח גמישות חישובית חזקה. במהות, אנסמבל של נוירונים עם סלקטיביות מעורבת יכול להכיל ממדים רבים יותר של מידע על משימה מאשר אוכלוסייה של נוירונים עם פונקציות קבועות.

"מאז עבודתנו המקורית, התקדמנו בהבנת תיאוריית הסלקטיביות המעורבת דרך עדשת רעיונות למידת מכונה קלאסית", אמר ריגוטי. "מצד שני, שאלות חשובות לניסויים בנוגע למנגנונים המיישמים זאת ברמה התאית נחקרו מעט יחסית. שיתוף פעולה זה ומאמר חדש זה שואפים למלא את הפער הזה."

במאמר החדש, המחברים מדמיינים עכבר שמחליט אם לאכול פרי יער. ייתכן שהוא מריח נפלא (זהו מימד אחד). ייתכן שהוא רעיל (זהו מימד אחר). מימד או שניים נוספים של הבעיה עשויים לבוא בצורת רמז חברתי. אם עכבר מריח פרי יער בנשימתו של עכבר אחר, הפרי כנראה אכיל (בהתאם לבריאותו הנראית לעין של העכבר השני). אנסמבל עצבי עם סלקטיביות מעורבת יכול לשלב את כל אלה.

משיכת נוירונים

בעוד שסלקטיביות מעורבת נתמכת על ידי ראיות רבות - היא נצפתה ברחבי קליפת המוח ובאזורי מוח אחרים כמו ההיפוקמפוס והאמיגדלה - נותרו שאלות פתוחות. לדוגמה, כיצד נוירונים מגויסים למשימות, וכיצד נוירונים בעלי אופקים כה רחבים נשארים מכוונים רק למה שבאמת קריטי למשימה?

במחקר החדש, חוקרים, ביניהם מרקוס בנה מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו ופליקס טשבאך ממכון סאלק, זיהו את צורות הסלקטיביות המעורבת שהחוקרים צפו בהן וטוענים שכאשר תנודות (הידועות גם כ"גלי מוח") ונוירומודולטורים (כימיקלים כמו סרוטונין או דופמין המשפיעים על תפקוד עצבי) מגייסים נוירונים למערכות חישוביות, הם גם עוזרים להם "לסנן" את מה שחשוב למטרה זו.

כמובן, חלק מהנוירונים מתמחים בקלט מסוים, אך המחברים מציינים שהם היוצא מן הכלל, לא הכלל. לתאים אלה, אומרים המחברים, יש "סלקטיביות טהורה". אכפת להם רק אם הארנב רואה חסה. חלק מהנוירונים מפגינים "סלקטיביות מעורבת לינארית", כלומר תגובתם תלויה באופן צפוי בסכום של קלטים מרובים (הארנב רואה חסה ומרגיש רעב). הנוירונים שמוסיפים את גמישות המדידה הרבה ביותר הם אלו עם "סלקטיביות מעורבת לא לינארית", שיכולה להסביר משתנים בלתי תלויים מרובים מבלי שיהיה צורך לסכם את כולם יחד. במקום זאת, הם יכולים להסביר קבוצה שלמה של תנאים בלתי תלויים (למשל, יש חסה, אני רעב, אני לא שומע נצים, אני לא מריח זאבי ערבות, אבל החסה רחוקה, ואני יכול לראות גדר די חזקה).

אז מה מושך נוירונים להתמקד בגורמים משמעותיים, לא משנה כמה יש? מנגנון אחד הוא תנודות, המתרחשות במוח כאשר נוירונים רבים שומרים על הפעילות החשמלית שלהם באותו קצב. פעילות מתואמת זו מאפשרת שיתוף מידע, ובעצם כיוון שלהם יחד, כמו קבוצת מכוניות שכולן מנגנות את אותה תחנת רדיו (אולי שידור של נץ שחוג מעל). מנגנון נוסף שהמחברים מדגישים הוא נוירומודולטורים. אלו כימיקלים שכאשר הם מגיעים לקולטנים בתוך תאים, יכולים גם הם להשפיע על פעילותם. לדוגמה, עלייה חדה באצטילכולין יכולה באופן דומה לכוון נוירונים עם הקולטנים המתאימים לפעילות או מידע מסוים (אולי תחושת הרעב).

"סביר להניח ששני המנגנונים הללו פועלים יחד כדי ליצור באופן דינמי רשתות פונקציונליות", כותבים המחברים.

הבנת הסלקטיביות המעורבת, הם ממשיכים, היא קריטית להבנת הקוגניציה.

"סלקטיביות מעורבת נפוצה בכל מקום", הם מסכמים. "היא קיימת בין מינים שונים וממלאת פונקציות הנעות בין קוגניציה ברמה גבוהה לתהליכים סנסומוטוריים 'אוטומטיים' כמו זיהוי עצמים. התרחשותה הנרחבת של סלקטיביות מעורבת מדגישה את תפקידה הבסיסי במתן כוח עיבוד הניתן להרחבה למוח הנדרש לחשיבה ופעולה מורכבות."

פרטי המחקר זמינים בדף כתב העת CELL