כוחה של סלקטיביות מעורבת: הבנת תפקוד המוח וקוגניציה

בכל יום המוח שלנו שואף לייעל פשרה: עם אירועים רבים שמתרחשים סביבנו, ובו בזמן דחפים פנימיים וזיכרונות רבים, 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 המום ממה שאינו רלוונטי.

הכותבים טוענים שהגמישות נובעת מתכונה מרכזית שנצפתה בנוירונים רבים: "סלקטיביות מעורבת". בעוד שמדענים מוחיים רבים חשבו בעבר שלכל תא יש רק תפקיד מיוחד אחד, עדויות עדכניות יותר הראו כי נוירונים רבים יכולים להשתתף בהרכבי חישוב שונים הפועלים במקביל. במילים אחרות, כאשר ארנב שוקל לנשנש חסה בגינה, נוירון אחד עשוי להיות מעורב לא רק בשיפוט הרעב שלו, אלא גם בשמיעת נץ מעל ראשו או בריח זאב ערבות בעצים ובקביעה כמה רחוקה החסה.. p>

המוח אינו ריבוי משימות, אמר מחבר שותף ארל ק. מילר, פרופסור במכון פיקואר ללמידה וזיכרון ב-MIT ואחד מחלוצי הרעיון של סלקטיביות מעורבת, אבל לתאים רבים יש את היכולת לעסוק במספר תהליכים חישוביים (בעצם, "מחשבות"). במאמר החדש, המחברים מתארים מנגנונים ספציפיים שבהם משתמש המוח כדי לגייס נוירונים לביצוע חישובים שונים וכדי להבטיח שהנוירונים הללו מייצגים את המספר הנכון של ממדים של בעיה מורכבת.

נוירונים אלו מבצעים פונקציות רבות. עם סלקטיביות מעורבת אפשר לקבל חלל ייצוגי מורכב ככל שהוא צריך להיות ולא יותר. כאן טמונה הגמישות של התפקוד הקוגניטיבי."

ארל ק. מילר, פרופסור במכון פיקוור לחקר למידה וזיכרון במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס

מחבר שותף קיי טאי, פרופסור במכון סאלק ובאוניברסיטת קליפורניה, סן דייגו, אמר כי סלקטיביות מעורבת בין נוירונים, במיוחד בקליפת המוח הקדם-מצחית המדיאלית, היא המפתח לאפשר יכולות נפשיות רבות.

"ה-MPFC הוא כמו לחישה שמייצגת כל כך הרבה מידע באמצעות הרכבים גמישים ודינאמיים מאוד", אמר טאי. "סלקטיביות מעורבת היא התכונה שנותנת לנו את הגמישות, היכולת הקוגניטיבית והיצירתיות שלנו. זהו הסוד למקסום כוח העיבוד, שהוא בעצם הבסיס לאינטליגנציה."

מקור הרעיון

הרעיון של סלקטיביות מעורבת מקורו בשנת 2000, כאשר מילר ועמיתו ג'ון דאנקן הגנו על תוצאה מפתיעה ממחקר על תפקוד קוגניטיבי במעבדתו של מילר. כאשר החיות מיינו את התמונות לקטגוריות, נראה היה כי כ-30 אחוז מהנוירונים בקליפת המוח הקדם-מצחית של המוח הופעלו. ספקנים שהאמינו שלכל נוירון יש תפקיד ייעודי לעגו לרעיון שהמוח יכול להקדיש כל כך הרבה תאים למשימה אחת בלבד. תשובתם של מילר ודנקן הייתה שאולי לתאים הייתה הגמישות להשתתף בחישובים רבים. היכולת לשרת בקבוצת מוח אחת, כפי שהייתה, לא מנעה את יכולתם לשרת רבים אחרים.

אבל אילו יתרונות מביאה סלקטיביות מעורבת? בשנת 2013, מילר חבר עם שני מחברי מאמר חדש, מתיה ריגוטי ממחקר IBM וסטפנו פוסי מאוניברסיטת קולומביה, כדי להראות כיצד סלקטיביות מעורבת מקנה למוח גמישות חישובית רבת עוצמה. למעשה, אנסמבל של נוירונים עם סלקטיביות מעורבת יכול להכיל הרבה יותר מימדים של מידע על משימה מאשר אוכלוסיה של נוירונים עם פונקציות בלתי משתנות.

"מאז העבודה הראשונית שלנו, התקדמנו בהבנת התיאוריה של סלקטיביות מעורבת דרך העדשה של רעיונות למידת מכונה קלאסית", אמר ריגוטי. "מצד שני, שאלות חשובות לנסיינים לגבי המנגנונים שעושים זאת ברמה התאית נחקרו מעט יחסית. שיתוף הפעולה הזה והמאמר החדש הזה נועדו למלא את הפער הזה."

בעיתון החדש, המחברים מציגים עכבר שמחליט אם לאכול פירות יער. היא עשויה להריח טעים (זה מימד אחד). זה יכול להיות רעיל (זה דבר אחר). מימד או שניים נוספים של הבעיה עשויים להתעורר בצורה של אות חברתי. אם עכבר מריח פירות יער בנשימה של עכבר אחר, אז כנראה שהברי הוא אכיל (תלוי בבריאותו לכאורה של העכבר השני). אנסמבל עצבי עם סלקטיביות מעורבת יוכל לשלב את כל זה.

משיכת נוירונים

למרות שסלקטיביות מעורבת נתמכת בראיות רבות - היא נצפתה בכל קליפת המוח ובאזורי מוח אחרים כמו ההיפוקמפוס והאמיגדלה - נותרו שאלות פתוחות. לדוגמה, איך מגייסים נוירונים למשימות, ואיך נוירונים שהם כל כך "רחבי אופקים" נשארים מכוונים רק למה שבאמת חשוב למשימה?

במחקר חדש, חוקרים, כולל מרקוס בנה מאוניברסיטת סן דייגו ופליקס טשבאך ממכון סאלק, מזהים את צורות הסלקטיביות המעורבת שבה הבחינו החוקרים וטוענים שכאשר תנודות (הידועות גם בשם "גלי מוח") ונוירומודולטורים ( חומרים כימיים כמו סרוטונין או דופמין המשפיעים על תפקוד עצבי) מושכים נוירונים להרכבים חישוביים, הם גם עוזרים להם "לסנן" את מה שחשוב למטרה זו.

כמובן, חלק מהנוירונים מתמחים עבור קלט מסוים, אך המחברים מציינים שהם היוצא מן הכלל, לא הכלל. המחברים אומרים שלתאים הללו יש "סלקטיביות טהורה". אכפת להם רק אם הארנב רואה את החסה. חלק מהנוירונים מציגים "סלקטיביות מעורבת ליניארית", כלומר התגובה שלהם תלויה באופן צפוי בסכום של מספר כניסות (ארנב רואה חסה ומרגיש רעב). הנוירונים שמוסיפים את גמישות המדידה הגדולה ביותר הם אלו עם "סלקטיביות מעורבת לא ליניארית", שיכולים להסביר מספר משתנים בלתי תלויים ללא צורך לסכם אותם. במקום זאת, הם יכולים לקחת בחשבון סט שלם של תנאים עצמאיים (למשל, יש חסה, אני רעב, אני לא שומע נצים, אני לא מריח זאב ערבות, אבל החסה רחוקה ואני יכול רואים גדר חזקה למדי).

אז מה מושך נוירונים להתמקד בגורמים משמעותיים, לא משנה כמה יש? מנגנון אחד הוא תנודה, המתרחשת במוח כאשר נוירונים רבים שומרים על פעילותם החשמלית באותו קצב. פעילות מתואמת זו מאפשרת שיתוף מידע, ובעצם מכווננת אותם יחד כמו קבוצת מכוניות שמנגנות כולן באותה תחנת רדיו (אולי שידור של נץ שמסתובב מעל הראש). מנגנון נוסף שהמחברים מדגישים הוא נוירומודולטורים. אלו כימיקלים שכאשר הם מגיעים לקולטנים בתוך התאים, יכולים להשפיע גם על פעילותם. לדוגמה, גל של אצטילכולין יכול באופן דומה לקדם נוירונים עם קולטנים תואמים לפעילות או מידע ספציפי (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 נמצאת בכל מקום", הם מסכמים. "הוא קיים על פני מינים ומשרת מגוון פונקציות החל מקוגניציה ברמה גבוהה ועד לתהליכים סנסומוטוריים 'אוטומטיים' כמו זיהוי אובייקטים. ההתרחשות הנרחבת של סלקטיביות מעורבת מדגישה את תפקידה הבסיסי במתן למוח את כוח העיבוד הניתן להרחבה הדרוש למורכבות מחשבות ופעולות." p>

קרא עוד על המחקר במגזין CELL