พลังของการเลือกสรรแบบผสม: ทำความเข้าใจการทำงานของสมองและการรับรู้

ทุกๆ วัน สมองของเรามุ่งมั่นที่จะเพิ่มประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยน: ด้วยเหตุการณ์ต่างๆ มากมายที่เกิดขึ้นรอบตัวเรา และในขณะเดียวกัน แรงผลักดันภายในและความทรงจำมากมาย ความคิดของเราต้องยืดหยุ่นแต่มีสมาธิเพียงพอที่จะชี้แนะทุกสิ่งที่เราต้องทำ ในรายงานฉบับใหม่ในวารสาร Neuron ทีมนักประสาทวิทยาได้อธิบายว่าสมองมีความสามารถด้านการรับรู้ในการบูรณาการข้อมูลที่เกี่ยวข้องทั้งหมดได้อย่างไร โดยไม่ถูกครอบงำด้วยสิ่งที่ไม่เกี่ยวข้อง

ผู้เขียนให้เหตุผลว่าความยืดหยุ่นเกิดจากคุณสมบัติหลักที่พบในเซลล์ประสาทจำนวนมาก: “การเลือกแบบผสม” แม้ว่านักประสาทวิทยาหลายคนเคยคิดว่าแต่ละเซลล์มีหน้าที่พิเศษเพียงหน้าที่เดียว แต่หลักฐานล่าสุดแสดงให้เห็นว่าเซลล์ประสาทจำนวนมากสามารถมีส่วนร่วมในวงดนตรีการคำนวณที่แตกต่างกันซึ่งทำงานคู่ขนานกัน กล่าวอีกนัยหนึ่ง เมื่อกระต่ายกำลังพิจารณาที่จะแทะผักกาดหอมในสวน เซลล์ประสาทตัวหนึ่งอาจไม่เพียงแต่เกี่ยวข้องกับการตัดสินความหิวเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการได้ยินเหยี่ยวเหนือศีรษะหรือดมกลิ่นโคโยตี้บนต้นไม้ และกำหนดว่าผักกาดหอมอยู่ไกลแค่ไหน. p>

สมองไม่ใช่การทำงานหลายอย่างพร้อมกัน Earl K. Miller ผู้เขียนร่วม ศาสตราจารย์จาก Picower Institute for Learning and Memory ที่ MIT และเป็นหนึ่งในผู้บุกเบิกแนวคิดเรื่องการคัดเลือกแบบผสมผสาน กล่าว แต่เซลล์จำนวนมากมีความสามารถ เพื่อมีส่วนร่วมในกระบวนการคำนวณหลายอย่าง (โดยพื้นฐานแล้วคือ "ความคิด") ในรายงานฉบับใหม่ ผู้เขียนได้อธิบายกลไกเฉพาะที่สมองใช้ในการรับเซลล์ประสาทเพื่อทำการคำนวณต่างๆ และเพื่อให้แน่ใจว่าเซลล์ประสาทเหล่านั้นแสดงถึงจำนวนมิติที่ถูกต้องของปัญหาที่ซับซ้อน

เซลล์ประสาทเหล่านี้ทำหน้าที่หลายอย่าง ด้วยการเลือกสรรแบบผสม จึงเป็นไปได้ที่จะมีพื้นที่ตัวแทนที่ซับซ้อนเท่าที่จำเป็นต้องมี และไม่มีอีกต่อไป นี่คือจุดที่ความยืดหยุ่นของฟังก์ชันการรับรู้อยู่"

Earl K. Miller ศาสตราจารย์ที่ Picower Institute for the Study of Learning and Memory ที่ Massachusetts Institute of Technology

ผู้ร่วมเขียน Kaye Tai ศาสตราจารย์ที่ Salk Institute และมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก กล่าวว่าการเลือกสรรแบบผสมผสานระหว่างเซลล์ประสาท โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเยื่อหุ้มสมองส่วนหน้าที่อยู่ตรงกลาง เป็นกุญแจสำคัญในการทำให้เกิดความสามารถทางจิตหลายอย่าง

"MPFC เปรียบเสมือนเสียงกระซิบที่แสดงถึงข้อมูลมากมายผ่านวงดนตรีที่มีความยืดหยุ่นและไดนามิกสูง" Tai กล่าว "การเลือกสรรแบบผสมเป็นคุณสมบัติที่ทำให้เรามีความยืดหยุ่น ความสามารถทางปัญญา และความคิดสร้างสรรค์ มันเป็นความลับในการเพิ่มพลังการประมวลผลให้สูงสุด ซึ่งเป็นพื้นฐานของความฉลาด"

ที่มาของแนวคิด

แนวคิดเรื่องการคัดเลือกแบบผสมเกิดขึ้นในปี 2000 เมื่อมิลเลอร์และเพื่อนร่วมงานของเขา จอห์น ดันแคน ปกป้องผลลัพธ์ที่น่าประหลาดใจจากการวิจัยเกี่ยวกับการทำงานของการรับรู้ในห้องทดลองของมิลเลอร์ เมื่อสัตว์เหล่านี้จัดเรียงภาพเป็นหมวดหมู่ ดูเหมือนว่าประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ของเซลล์ประสาทในเยื่อหุ้มสมองส่วนหน้าของสมองดูเหมือนจะถูกกระตุ้น ผู้คลางแคลงใจที่เชื่อว่าเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์มีหน้าที่เฉพาะ เยาะเย้ยความคิดที่ว่าสมองสามารถอุทิศเซลล์จำนวนมากให้กับงานเดียวได้ คำตอบของมิลเลอร์และดันแคนก็คือบางทีเซลล์อาจมีความยืดหยุ่นในการมีส่วนร่วมในการคำนวณหลายอย่าง ความสามารถในการรับใช้ในกลุ่มสมองกลุ่มเดียวไม่ได้ขัดขวางความสามารถในการรับใช้คนอื่นๆ อีกมากมาย

แต่การเลือกแบบผสมมีประโยชน์อะไรบ้าง? ในปี 2013 มิลเลอร์ร่วมมือกับผู้ร่วมเขียนบทความใหม่สองคนคือ Mattia Rigotti จาก IBM Research และ Stefano Fusi จาก Columbia University เพื่อแสดงให้เห็นว่าการเลือกสรรแบบผสมผสานทำให้สมองมีความยืดหยุ่นในการคำนวณที่ทรงพลังได้อย่างไร โดยพื้นฐานแล้ว กลุ่มของเซลล์ประสาทที่มีการเลือกแบบผสมสามารถรองรับข้อมูลงานในมิติต่างๆ ได้มากกว่าประชากรของเซลล์ประสาทที่มีฟังก์ชันที่ไม่แปรเปลี่ยน

"นับตั้งแต่งานเริ่มแรกของเรา เรามีความก้าวหน้าในการทำความเข้าใจทฤษฎีการเลือกสรรแบบผสมผ่านเลนส์ของแนวคิดการเรียนรู้ของเครื่องแบบคลาสสิก" Rigotti กล่าว "ในทางกลับกัน คำถามที่สำคัญสำหรับผู้ทดลองเกี่ยวกับกลไกที่ทำสิ่งนี้ในระดับเซลล์นั้นยังมีการสำรวจค่อนข้างน้อย ความร่วมมือนี้และรายงานฉบับใหม่นี้มุ่งเป้าไปที่การเติมเต็มช่องว่างนี้"

ในรายงานฉบับใหม่ ผู้เขียนนำเสนอหนูที่กำลังตัดสินใจว่าจะกินเบอร์รี่หรือไม่ เธออาจจะมีกลิ่นหอม (นั่นเป็นมิติหนึ่ง) อาจเป็นพิษได้ (นั่นเป็นอีกเรื่องหนึ่ง) ปัญหาอีกมิติหนึ่งหรือสองอาจเกิดขึ้นในรูปแบบของสัญญาณทางสังคม หากหนูได้กลิ่นเบอร์รี่จากลมหายใจของหนูตัวอื่น เบอร์รี่นั้นก็อาจจะกินได้ (ขึ้นอยู่กับสุขภาพที่ชัดเจนของหนูตัวอื่น) วงดนตรีประสาทที่มีการคัดเลือกแบบผสมจะสามารถบูรณาการทั้งหมดนี้ได้

ดึงดูดเซลล์ประสาท

แม้ว่าการเลือกสรรแบบผสมจะได้รับการสนับสนุนจากหลักฐานมากมาย แต่ก็มีการสังเกตพบทั่วทั้งเยื่อหุ้มสมองและในบริเวณสมองอื่นๆ เช่น ฮิบโปแคมปัสและต่อมทอนซิล แต่ก็ยังมีคำถามปลายเปิดอยู่ ตัวอย่างเช่น เซลล์ประสาทถูกคัดเลือกมาทำงานอย่างไร และเซลล์ประสาทที่มี "ใจกว้าง" คอยติดตามเฉพาะสิ่งที่สำคัญจริงๆ สำหรับภารกิจได้อย่างไร

ในการศึกษาใหม่ นักวิจัยรวมทั้ง Marcus Benna จาก UC San Diego และ Felix Taschbach จากสถาบัน Salk ระบุรูปแบบของการคัดเลือกแบบผสมที่นักวิจัยสังเกตและโต้แย้งว่าเมื่อมีการสั่น (หรือที่เรียกว่า "คลื่นสมอง") และตัวปรับประสาท ( สารเคมี เช่น เซโรโทนินหรือโดปามีนที่มีอิทธิพลต่อการทำงานของระบบประสาท) ดึงดูดเซลล์ประสาทให้เข้ามาอยู่ในกลุ่มการคำนวณ และยังช่วย "กรอง" สิ่งที่สำคัญสำหรับจุดประสงค์นี้

แน่นอนว่า เซลล์ประสาทบางตัวมีความเชี่ยวชาญเป็นพิเศษสำหรับการป้อนข้อมูลเฉพาะ แต่ผู้เขียนสังเกตว่าเซลล์ประสาทเหล่านี้เป็นข้อยกเว้น ไม่ใช่กฎ ผู้เขียนกล่าวว่าเซลล์เหล่านี้มี "การคัดเลือกอย่างบริสุทธิ์" พวกเขาสนใจเฉพาะเมื่อกระต่ายเห็นผักกาดหอมเท่านั้น เซลล์ประสาทบางชนิดแสดง "การเลือกแบบผสมเชิงเส้น" ซึ่งหมายความว่าการตอบสนองของพวกมันขึ้นอยู่กับผลรวมของอินพุตหลายตัว (กระต่ายเห็นผักกาดหอมและรู้สึกหิว) เซลล์ประสาทที่เพิ่มความยืดหยุ่นในการวัดมากที่สุดคือเซลล์ที่มี "การเลือกแบบผสมแบบไม่เชิงเส้น" ซึ่งสามารถอธิบายตัวแปรอิสระได้หลายตัวโดยไม่จำเป็นต้องรวมเข้าด้วยกัน แต่สามารถคำนึงถึงเงื่อนไขอิสระทั้งชุดได้ (เช่น มีผักกาดหอม ฉันหิว ไม่ได้ยินเสียงเหยี่ยวเลย ไม่มีกลิ่นโคโยตี้ แต่ผักกาดหอมอยู่ไกลและฉันก็สามารถ เห็นรั้วค่อนข้างแข็งแรง)

แล้วอะไรดึงดูดเซลล์ประสาทให้มุ่งความสนใจไปที่ปัจจัยสำคัญ ไม่ว่าจะมีกี่ปัจจัยก็ตาม? กลไกหนึ่งคือการสั่น ซึ่งเกิดขึ้นในสมองเมื่อเซลล์ประสาทจำนวนมากรักษากิจกรรมทางไฟฟ้าไว้ในจังหวะเดียวกัน กิจกรรมที่ประสานงานกันนี้ช่วยให้สามารถแบ่งปันข้อมูลได้ โดยพื้นฐานแล้วปรับข้อมูลเข้าด้วยกันเหมือนกับกลุ่มรถที่เล่นสถานีวิทยุเดียวกัน (อาจเป็นการออกอากาศของเหยี่ยวที่บินวนเหนือศีรษะ) กลไกอีกประการหนึ่งที่ผู้เขียนเน้นคือสารควบคุมระบบประสาท เหล่านี้เป็นสารเคมีที่เมื่อเข้าถึงตัวรับภายในเซลล์ก็สามารถส่งผลต่อกิจกรรมของพวกมันได้เช่นกัน ตัวอย่างเช่น การเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของอะเซทิลโคลีนสามารถสร้างเซลล์ประสาทหลักที่มีตัวรับที่สอดคล้องกันสำหรับกิจกรรมหรือข้อมูลเฉพาะ (บางทีอาจเป็นความรู้สึกหิว)

“กลไกทั้งสองนี้น่าจะทำงานร่วมกันเพื่อสร้างเครือข่ายการทำงานแบบไดนามิก” ผู้เขียนเขียน

การทำความเข้าใจการเลือกสรรแบบผสมซึ่งดำเนินต่อไปนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจการรับรู้

"การคัดเลือกแบบผสมเป็นที่แพร่หลาย" พวกเขาสรุป "มันมีอยู่ในสปีชีส์และทำหน้าที่ต่างๆ มากมายตั้งแต่การรับรู้ระดับสูงไปจนถึงกระบวนการเซ็นเซอร์ 'อัตโนมัติ' เช่น การจดจำวัตถุ การเกิดขึ้นอย่างกว้างขวางของการเลือกสรรแบบผสมนั้นเน้นย้ำถึงบทบาทพื้นฐานของมันในการให้พลังการประมวลผลที่ปรับขนาดได้แก่สมองซึ่งจำเป็นสำหรับความซับซ้อน ความคิดและการกระทำ" p>

อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการศึกษาใน นิตยสาร CELL