พลังของการเลือกสรรแบบผสมผสาน: ความเข้าใจการทำงานของสมองและการรับรู้

สมองของเราพยายามหาทางปรับสมดุลระหว่างสิ่งต่างๆ ในแต่ละวัน เมื่อมีเหตุการณ์ต่างๆ เกิดขึ้นมากมายรอบตัวเรา และในขณะเดียวกันก็มีแรงกระตุ้นและความทรงจำภายในมากมาย ความคิดของเราจึงต้องมีความยืดหยุ่นแต่ต้องมีสมาธิเพียงพอที่จะชี้นำทุกสิ่งที่เราต้องทำ ในรายงานฉบับใหม่ในวารสาร Neuron ทีมนักประสาทวิทยาได้บรรยายว่าสมองสามารถรับรู้ข้อมูลที่เกี่ยวข้องทั้งหมดได้อย่างไรโดยไม่รู้สึกครอบงำด้วยสิ่งที่ไม่สำคัญ

ผู้เขียนโต้แย้งว่าความยืดหยุ่นนี้มาจากคุณสมบัติสำคัญที่สังเกตพบในเซลล์ประสาทหลายชนิด นั่นก็คือ “การคัดเลือกแบบผสม” แม้ว่าก่อนหน้านี้ นักประสาทวิทยาหลายคนจะคิดว่าเซลล์แต่ละเซลล์มีหน้าที่เฉพาะอย่างหนึ่งเท่านั้น แต่หลักฐานล่าสุดแสดงให้เห็นว่าเซลล์ประสาทหลายชนิดสามารถมีส่วนร่วมในชุดการคำนวณต่างๆ ที่ทำงานคู่ขนานกันได้ กล่าวอีกนัยหนึ่ง เมื่อกระต่ายกำลังคิดที่จะแทะผักกาดหอมในสวน เซลล์ประสาทเพียงเซลล์เดียวอาจมีส่วนเกี่ยวข้องไม่เพียงแค่ในการประเมินความหิวเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการได้ยินเสียงเหยี่ยวบินอยู่เหนือศีรษะหรือได้กลิ่นหมาป่าบนต้นไม้และตัดสินว่าผักกาดหอมอยู่ห่างออกไปแค่ไหนด้วย

เอิร์ล เค. มิลเลอร์ ผู้เขียนร่วมของงานวิจัยนี้ ซึ่งเป็นศาสตราจารย์จากสถาบัน Picower Institute for the Study of Learning and Memory แห่งสถาบัน MIT และหนึ่งในผู้บุกเบิกแนวคิดเรื่องการคัดเลือกแบบผสมผสาน กล่าวว่าสมองไม่สามารถทำหลายอย่างพร้อมกันได้ แต่เซลล์จำนวนมากมีความสามารถในการทำงานหลายอย่างพร้อมกัน (โดยพื้นฐานแล้วก็คือ "ความคิด") ในงานวิจัยฉบับใหม่นี้ ผู้เขียนได้อธิบายกลไกเฉพาะที่สมองใช้ในการคัดเลือกเซลล์ประสาทเพื่อทำงานหลายอย่างพร้อมกัน และเพื่อให้แน่ใจว่าเซลล์ประสาทเหล่านั้นแสดงมิติที่ถูกต้องของงานที่ซับซ้อน

เซลล์ประสาทเหล่านี้ทำหน้าที่หลายอย่าง ด้วยการคัดเลือกแบบผสมผสาน คุณสามารถมีพื้นที่การแสดงภาพที่ซับซ้อนเท่าที่คุณต้องการได้ และไม่มีอะไรมากกว่านั้น นั่นคือจุดที่ความยืดหยุ่นของการทำงานทางปัญญาอยู่"

เอิร์ล เค. มิลเลอร์ ศาสตราจารย์ สถาบัน Picower เพื่อการศึกษาด้านการเรียนรู้และความจำ สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์

Kay Tai ผู้เขียนร่วมซึ่งเป็นศาสตราจารย์จากสถาบัน Salk และมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก กล่าวว่าการคัดเลือกแบบผสมผสานในหมู่เซลล์ประสาท โดยเฉพาะในคอร์เทกซ์พรีฟรอนทัลส่วนใน ถือเป็นปัจจัยสำคัญในการเปิดใช้ความสามารถทางจิตหลายประการ

“MPFC เปรียบเสมือนเสียงกระซิบที่เป็นตัวแทนของข้อมูลจำนวนมากผ่านชุดข้อมูลที่มีความยืดหยุ่นสูงและเป็นพลวัต” ไทกล่าว “การคัดเลือกแบบผสมผสานเป็นคุณสมบัติที่มอบความยืดหยุ่น ความสามารถทางปัญญา และความคิดสร้างสรรค์ให้กับเรา นับเป็นเคล็ดลับในการเพิ่มพลังการคำนวณให้สูงสุด ซึ่งเป็นพื้นฐานสำคัญของสติปัญญา”

ที่มาของความคิด

แนวคิดเรื่องการคัดเลือกแบบผสมผสานเริ่มต้นขึ้นในปี 2000 เมื่อมิลเลอร์และจอห์น ดันแคน เพื่อนร่วมงานของเขาได้ออกมาปกป้องผลลัพธ์ที่น่าประหลาดใจจากการศึกษาเกี่ยวกับการทำงานของสมองในห้องทดลองของมิลเลอร์ เมื่อสัตว์จัดภาพเป็นหมวดหมู่ เซลล์ประสาทประมาณร้อยละ 30 ในคอร์เทกซ์ด้านหน้าของสมองก็ดูเหมือนจะถูกเรียกใช้งาน ผู้ที่ไม่เชื่อที่เชื่อว่าเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์มีหน้าที่เฉพาะนั้นดูถูกความคิดที่ว่าสมองสามารถจัดสรรเซลล์จำนวนมากให้กับงานเดียวได้ คำตอบของมิลเลอร์และดันแคนก็คือ บางทีเซลล์อาจมีความยืดหยุ่นในการมีส่วนร่วมในการคำนวณหลายๆ อย่าง ความสามารถในการทำหน้าที่ในกลุ่มสมองหนึ่งกลุ่มนั้นไม่ได้ขัดขวางความสามารถในการทำหน้าที่ของกลุ่มอื่นๆ

แต่การเลือกใช้แบบผสมผสานนั้นมีประโยชน์อย่างไร ในปี 2013 มิลเลอร์ได้ร่วมมือกับผู้เขียนร่วม 2 คนของบทความใหม่นี้ ได้แก่ แมตเทีย ริกอตติ จาก IBM Research และสเตฟาโน ฟูซี จากมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย เพื่อแสดงให้เห็นว่าการเลือกใช้แบบผสมผสานนั้นช่วยให้สมองสามารถคำนวณได้อย่างยืดหยุ่นได้อย่างไร โดยพื้นฐานแล้ว กลุ่มเซลล์ประสาทที่มีการเลือกใช้แบบผสมผสานนั้นสามารถรองรับข้อมูลเกี่ยวกับงานได้หลายมิติมากกว่าประชากรของเซลล์ประสาทที่มีฟังก์ชันคงที่

"นับตั้งแต่งานดั้งเดิมของเรา เราได้ก้าวหน้าในการทำความเข้าใจทฤษฎีของการคัดเลือกแบบผสมผ่านมุมมองของแนวคิดการเรียนรู้ของเครื่องจักรแบบคลาสสิก" Rigotti กล่าว "ในทางกลับกัน คำถามที่สำคัญสำหรับนักทดลองเกี่ยวกับกลไกในการนำสิ่งนี้ไปใช้ในระดับเซลล์นั้นยังได้รับการศึกษาค่อนข้างน้อย ความร่วมมือนี้และเอกสารฉบับใหม่นี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อเติมเต็มช่องว่างดังกล่าว"

ในบทความใหม่นี้ ผู้เขียนจินตนาการถึงหนูที่กำลังตัดสินใจว่าจะกินผลเบอร์รี่หรือไม่ ผลเบอร์รี่นั้นอาจมีกลิ่นที่น่ารับประทาน (นั่นเป็นอีกมิติหนึ่ง) และอาจเป็นพิษ (นั่นเป็นอีกมิติหนึ่ง) ปัญหาอีกมิติหนึ่งหรือสองมิติอาจมาในรูปแบบของสัญญาณทางสังคม หากหนูได้กลิ่นผลเบอร์รี่จากลมหายใจของหนูตัวอื่น ผลเบอร์รี่นั้นอาจรับประทานได้ (ขึ้นอยู่กับสุขภาพที่ชัดเจนของหนูตัวอื่น) กลุ่มเซลล์ประสาทที่มีการคัดเลือกแบบผสมผสานอาจผสานรวมสิ่งเหล่านี้ทั้งหมดเข้าด้วยกัน

การดึงดูดเซลล์ประสาท

แม้ว่าการคัดเลือกแบบผสมผสานจะได้รับการสนับสนุนจากหลักฐานมากมาย (มีการสังเกตได้ทั่วทั้งคอร์เทกซ์และบริเวณสมองอื่นๆ เช่น ฮิปโปแคมปัสและอะมิกดาลา) แต่คำถามที่ยังไม่มีคำตอบก็ยังคงมีอยู่ ตัวอย่างเช่น เซลล์ประสาทถูกเรียกไปทำหน้าที่ต่างๆ ได้อย่างไร และเซลล์ประสาทที่มีความคิดกว้างไกลจะคอยปรับให้เข้ากับสิ่งที่สำคัญต่อภารกิจอย่างแท้จริงได้อย่างไร

ในการศึกษาวิจัยใหม่นี้ นักวิจัย รวมถึง Marcus Benna จาก UC San Diego และ Felix Taschbach จาก Salk Institute ระบุรูปแบบของการคัดเลือกแบบผสมที่นักวิจัยสังเกตพบ และโต้แย้งว่า เมื่อการแกว่ง (เรียกอีกอย่างว่า "คลื่นสมอง") และสารปรับสภาพประสาท (สารเคมีเช่นเซโรโทนินหรือโดปามีนที่มีอิทธิพลต่อการทำงานของระบบประสาท) ดึงดูดเซลล์ประสาทเข้าสู่กลุ่มการคำนวณ พวกมันยังช่วย "กรอง" สิ่งที่สำคัญสำหรับจุดประสงค์นั้นอีกด้วย

แน่นอนว่าเซลล์ประสาทบางส่วนมีความเฉพาะเจาะจงกับข้อมูลอินพุตเฉพาะ แต่ผู้เขียนชี้ให้เห็นว่าเซลล์เหล่านี้เป็นข้อยกเว้น ไม่ใช่กฎ ผู้เขียนกล่าวว่าเซลล์เหล่านี้มี "ความสามารถในการเลือกสรรอย่างแท้จริง" เซลล์เหล่านี้สนใจเฉพาะในกรณีที่กระต่ายเห็นผักกาดหอมเท่านั้น เซลล์ประสาทบางส่วนแสดง "ความสามารถในการเลือกสรรแบบผสมเชิงเส้น" ซึ่งหมายความว่าการตอบสนองของเซลล์ประสาทขึ้นอยู่กับผลรวมของข้อมูลอินพุตหลายรายการตามที่คาดไว้ (กระต่ายเห็นผักกาดหอมแล้วรู้สึกหิว) เซลล์ประสาทที่เพิ่มความยืดหยุ่นในการวัดได้มากที่สุดคือเซลล์ที่มี "ความสามารถในการเลือกสรรแบบผสมแบบไม่เชิงเส้น" ซึ่งสามารถอธิบายตัวแปรอิสระหลายตัวได้โดยไม่ต้องรวมตัวแปรทั้งหมดเข้าด้วยกัน ในทางกลับกัน เซลล์ประสาทสามารถอธิบายเงื่อนไขอิสระทั้งชุดได้ (เช่น มีผักกาดหอม ฉันหิว ฉันไม่ได้ยินเสียงเหยี่ยว ฉันไม่ได้กลิ่นโคโยตี้ แต่ผักกาดหอมอยู่ไกลออกไป และฉันสามารถเห็นรั้วที่ค่อนข้างแข็งแรง)

อะไรดึงดูดเซลล์ประสาทให้จดจ่อกับปัจจัยที่มีความหมาย ไม่ว่าจะมีมากเพียงใดก็ตาม กลไกหนึ่งคือการแกว่ง ซึ่งเกิดขึ้นในสมองเมื่อเซลล์ประสาทจำนวนมากรักษากิจกรรมทางไฟฟ้าให้อยู่ในจังหวะเดียวกัน กิจกรรมที่ประสานกันนี้ช่วยให้สามารถแบ่งปันข้อมูลได้ โดยพื้นฐานแล้วก็คือการปรับจูนข้อมูลให้สอดคล้องกัน เหมือนกับกลุ่มรถยนต์ที่เล่นสถานีวิทยุเดียวกัน (เช่น การออกอากาศเหยี่ยวบินวนอยู่เหนือศีรษะ) กลไกอีกอย่างหนึ่งที่ผู้เขียนเน้นย้ำคือสารปรับเปลี่ยนระบบประสาท ซึ่งเป็นสารเคมีที่เมื่อเข้าถึงตัวรับภายในเซลล์ สารเคมีเหล่านี้ก็สามารถส่งผลต่อกิจกรรมของเซลล์ได้เช่นกัน ตัวอย่างเช่น การเพิ่มขึ้นของอะเซทิลโคลีนสามารถปรับจูนเซลล์ประสาทที่มีตัวรับที่เหมาะสมให้เข้ากับกิจกรรมหรือข้อมูลเฉพาะ (เช่น ความรู้สึกหิว) ในลักษณะเดียวกัน

“กลไกทั้งสองนี้อาจทำงานร่วมกันเพื่อสร้างเครือข่ายการทำงานอย่างมีพลวัต” ผู้เขียนกล่าว

การทำความเข้าใจการคัดเลือกแบบผสมผสานนั้นถือเป็นสิ่งสำคัญต่อการทำความเข้าใจการรับรู้

“การคัดเลือกแบบผสมผสานนั้นมีอยู่ทั่วไป” พวกเขาสรุป “การคัดเลือกแบบผสมผสานมีอยู่ในทุกสายพันธุ์และมีหน้าที่ตั้งแต่การรับรู้ระดับสูงไปจนถึงกระบวนการรับรู้ทางประสาทสัมผัสแบบ 'อัตโนมัติ' เช่น การจดจำวัตถุ การเกิดขึ้นอย่างแพร่หลายของการคัดเลือกแบบผสมผสานเน้นย้ำถึงบทบาทพื้นฐานของการคัดเลือกแบบผสมผสานในการให้พลังการประมวลผลที่ปรับขนาดได้ซึ่งจำเป็นสำหรับความคิดและการกระทำที่ซับซ้อน”

รายละเอียดของการศึกษาสามารถดูได้ที่หน้าวารสาร CELL