Karma seçiciliğin gücü: beyin fonksiyonlarını ve bilişi anlamak

Beynimiz her gün bir dengeyi optimize etmeye çalışır: etrafımızda bu kadar çok olay yaşanırken ve aynı zamanda bu kadar çok içsel dürtü ve anı varken, düşüncelerimiz esnek olmalı ancak yapmamız gereken her şeyi yönlendirecek kadar odaklanmış olmalıdır. Neuron dergisinde yayınlanan yeni bir makalede, bir grup nörobilimci, beynin önemli olmayan şeylerle boğulmadan tüm ilgili bilgileri bütünleştirme bilişsel yeteneğine nasıl ulaştığını açıklıyor.

Yazarlar, bu esnekliğin birçok nöronda gözlemlenen temel bir özellikten kaynaklandığını savunuyor: "karma seçicilik." Daha önce birçok sinir bilimci her hücrenin yalnızca tek bir özel işlevi olduğunu düşünürken, daha yeni kanıtlar birçok nöronun paralel çalışan farklı hesaplama topluluklarına katılabileceğini gösterdi. Başka bir deyişle, bir tavşan bahçedeki maruldan kemirmeyi düşündüğünde, tek bir nöron yalnızca açlığını değerlendirmekle kalmayıp aynı zamanda yukarıdan bir şahin sesi duymak veya ağaçlarda bir çakal kokusu almak ve marulun ne kadar uzakta olduğunu değerlendirmekle de ilgili olabilir.

MIT'deki Picower Öğrenme ve Bellek Çalışmaları Enstitüsü'nde profesör ve karma seçicilik fikrinin öncülerinden biri olan makalenin ortak yazarı Earl K. Miller, beynin çoklu görev yapmadığını ancak birçok hücrenin birden fazla hesaplamaya (esas olarak "düşüncelere") katılma yeteneğine sahip olduğunu söyledi. Yeni makalede yazarlar, beynin nöronları farklı hesaplamalara dahil etmek ve bu nöronların karmaşık bir görevin doğru sayıda boyutunu temsil etmesini sağlamak için kullandığı belirli mekanizmaları açıklıyor.

Bu nöronlar birçok işlevi yerine getirir. Karma seçicilikle, ihtiyacınız kadar karmaşık ve daha fazlasına sahip olmayan bir temsili alana sahip olabilirsiniz. Bilişsel işlevin esnekliği burada yatar."

Earl K. Miller, Profesör, Picower Öğrenme ve Bellek Çalışmaları Enstitüsü, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü

Salk Enstitüsü ve Kaliforniya Üniversitesi, San Diego'da profesör olan ortak yazar Kay Tai, özellikle medial prefrontal korteksteki nöronlar arasındaki karışık seçiciliğin, birçok zihinsel yeteneğin etkinleştirilmesinde anahtar rol oynadığını söyledi.

"MPFC, son derece esnek ve dinamik topluluklar aracılığıyla çok fazla bilgiyi temsil eden bir fısıltı gibidir," dedi Tai. "Karma seçicilik, bize esnekliğimizi, bilişsel yeteneğimizi ve yaratıcılığımızı veren özelliktir. Bu, esasen zekanın temeli olan hesaplama gücünü en üst düzeye çıkarmanın sırrıdır."

Fikrin kökeni

Karma seçicilik fikri, Miller ve meslektaşı John Duncan'ın Miller'ın laboratuvarında bilişsel işlev üzerine yapılan bir çalışmanın şaşırtıcı sonucunu savundukları 2000 yılında ortaya çıktı. Hayvanlar görüntüleri kategorilere ayırdığında, beynin prefrontal korteksindeki nöronların yaklaşık %30'u işe alınmış gibi görünüyordu. Her nöronun özel bir işlevi olduğuna inanan şüpheciler, beynin bu kadar çok hücreyi tek bir göreve ayırabileceği fikrine alaycı bir şekilde güldüler. Miller ve Duncan'ın cevabı, belki de hücrelerin birçok hesaplamaya katılma esnekliğine sahip olduğuydu. Bir beyin grubunda hizmet etme yeteneği, olduğu gibi, diğer birçok beyin grubunda hizmet etme yeteneklerini engellemiyordu.

Peki karma seçicilik hangi faydayı sağlar? Miller, 2013 yılında IBM Research'ten Mattia Rigotti ve Columbia Üniversitesi'nden Stefano Fusi adlı yeni makalenin iki ortak yazarıyla birlikte karma seçiciliğin beyne nasıl güçlü bir hesaplama esnekliği sağladığını göstermek için bir araya geldi. Özünde, karma seçiciliğe sahip bir nöron topluluğu, sabit işlevlere sahip bir nöron popülasyonundan çok daha fazla boyutta bilgiyi bir görev hakkında barındırabilir.

"Orijinal çalışmamızdan bu yana, klasik makine öğrenimi fikirleri merceğinden karışık seçicilik teorisini anlamada ilerlemeler kaydettik," dedi Rigotti. "Öte yandan, deneyciler için hücresel düzeyde bunu uygulayan mekanizmalar hakkında önemli olan sorular nispeten az çalışılmıştır. Bu iş birliği ve bu yeni makale bu boşluğu doldurmayı amaçlıyor."

Yeni makalede, yazarlar bir farenin bir meyveyi yiyip yememeye karar verdiğini hayal ediyorlar. Lezzetli kokabilir (bu bir boyut). Zehirli olabilir (bu başka bir boyut). Sorunun bir veya iki boyutu daha sosyal bir ipucu şeklinde ortaya çıkabilir. Bir fare başka bir farenin nefesinde bir meyvenin kokusunu alırsa, meyve muhtemelen yenilebilirdir (diğer farenin görünürdeki sağlığına bağlı olarak). Karma seçiciliğe sahip bir sinir topluluğu bunların hepsini entegre edebilir.

Nöronları çekmek

Karışık seçicilik bol miktarda kanıtla desteklense de (korteks boyunca ve hipokampüs ve amigdala gibi diğer beyin bölgelerinde gözlemlenmiştir) açık sorular kalmıştır. Örneğin, nöronlar görevlere nasıl alınır ve bu kadar geniş görüşlü olan nöronlar yalnızca gerçekten görev açısından kritik olan şeylere nasıl uyum sağlar?

Yeni çalışmada, UC San Diego'dan Marcus Benna ve Salk Enstitüsü'nden Felix Taschbach'ın da aralarında bulunduğu araştırmacılar, araştırmacıların gözlemlediği karma seçicilik biçimlerini tanımlıyor ve salınımların (aynı zamanda "beyin dalgaları" olarak da bilinir) ve nöromodülatörlerin (sinirsel işlevi etkileyen serotonin veya dopamin gibi kimyasallar) nöronları hesaplamalı topluluklara dahil ettiğinde, aynı zamanda bu amaç için neyin önemli olduğunu "filtrelemelerine" yardımcı olduğunu savunuyorlar.

Elbette bazı nöronlar belirli bir girdide uzmanlaşır, ancak yazarlar bunların kural değil istisna olduğunu belirtiyorlar. Yazarlar, bu hücrelerin "saf seçiciliğe" sahip olduğunu söylüyor. Onlar sadece tavşanın marul görüp görmediğini önemsiyorlar. Bazı nöronlar "doğrusal karışık seçicilik" sergiliyor, yani tepkileri tahmin edilebilir şekilde birden fazla girdinin toplamına bağlı (tavşan marul görüyor ve aç hissediyor). Ölçüm esnekliğini en çok artıran nöronlar, hepsini bir araya toplamak zorunda kalmadan birden fazla bağımsız değişkeni hesaba katabilen "doğrusal olmayan karışık seçiciliğe" sahip olanlardır. Bunun yerine, bir dizi bağımsız koşulu hesaba katabilirler (örneğin, marul var, açım, şahinleri duyamıyorum, çakalları koklayamıyorum ama marul çok uzakta ve oldukça sağlam bir çit görebiliyorum).

Peki nöronları anlamlı faktörlere odaklanmaya çeken şey nedir, kaç tane olursa olsun? Bir mekanizma, beyinde birçok nöron elektriksel aktivitesini aynı ritimde sürdürdüğünde oluşan salınımlardır. Bu koordineli aktivite, bilginin paylaşılmasını sağlar ve esasen onları aynı radyo istasyonunu çalan bir grup araba gibi (belki de tepede dönen bir şahin yayını) birbirine ayarlar. Yazarların vurguladığı bir diğer mekanizma ise nöromodülatörlerdir. Bunlar, hücrelerin içindeki reseptörlere ulaştıklarında, onların aktivitesini de etkileyebilen kimyasallardır. Örneğin, asetilkolin seviyesindeki bir artış, nöronları uygun reseptörlerle belirli bir aktiviteye veya bilgiye (belki açlık hissine) benzer şekilde ayarlayabilir.

Yazarlar, "Bu iki mekanizmanın birlikte çalışarak dinamik olarak işlevsel ağlar oluşturduğunu" yazıyor.

Karma seçiciliği anlamak, bilişi anlamak için kritik öneme sahiptir, diye devam ediyorlar.

"Karma seçicilik her yerde mevcuttur," diye sonuca varıyorlar. "Türler arasında mevcuttur ve yüksek düzeyde bilişten nesne tanıma gibi 'otomatik' sensör-motor süreçlerine kadar uzanan işlevlere hizmet eder. Karma seçiciliğin yaygın olarak görülmesi, beyne karmaşık düşünce ve eylem için gereken ölçeklenebilir işlem gücünü sağlamadaki temel rolünü vurgular."

Çalışmanın ayrıntılarına CELL dergi sayfasından ulaşılabilir