De kracht van gemengde selectiviteit: inzicht in de hersenfunctie en cognitie

Elke dag streven onze hersenen ernaar een afweging te optimaliseren: met veel gebeurtenissen om ons heen en tegelijkertijd veel interne drijfveren en herinneringen, moeten onze gedachten flexibel zijn, maar voldoende gefocust om alles wat we moeten doen te sturen. In een nieuw artikel in het tijdschrift Neuron beschrijft een team van neurowetenschappers hoe de hersenen het cognitieve vermogen bereiken om alle relevante informatie te integreren zonder overweldigd te raken door wat niet relevant is.

De auteurs beweren dat flexibiliteit voortkomt uit een belangrijke eigenschap die in veel neuronen wordt waargenomen: ‘gemengde selectiviteit’. Hoewel veel neurowetenschappers voorheen dachten dat elke cel slechts één gespecialiseerde functie had, heeft recenter bewijsmateriaal aangetoond dat veel neuronen kunnen deelnemen aan verschillende computerensembles die parallel werken. Met andere woorden: wanneer een konijn overweegt sla in de tuin te knabbelen, kan één neuron niet alleen betrokken zijn bij het beoordelen van zijn honger, maar ook bij het horen van een havik boven zijn hoofd of het ruiken van een coyote in de bomen en het bepalen hoe ver de sla verwijderd is..

Het brein is geen multitasker, zegt co-auteur Earl K. Miller, professor aan het Picower Institute for Learning and Memory aan het MIT en een van de pioniers van het idee van gemengde selectiviteit, maar veel cellen hebben wel het vermogen om deel te nemen aan meerdere computerprocessen (in wezen "gedachten"). In het nieuwe artikel beschrijven de auteurs specifieke mechanismen die de hersenen gebruiken om neuronen te rekruteren om verschillende berekeningen uit te voeren en om ervoor te zorgen dat die neuronen het juiste aantal dimensies van een complex probleem vertegenwoordigen.

Deze neuronen vervullen vele functies. Met gemengde selectiviteit is het mogelijk om een representatieve ruimte te creëren die net zo complex is als nodig is en niet meer. Dit is waar de flexibiliteit van de cognitieve functie ligt."

Earl K. Miller, professor aan het Picower Institute for the Study of Learning and Memory aan het Massachusetts Institute of Technology

Co-auteur Kaye Tai, professor aan het Salk Institute en de Universiteit van Californië, San Diego, zei dat gemengde selectiviteit tussen neuronen, vooral in de mediale prefrontale cortex, de sleutel is tot het mogelijk maken van veel mentale vermogens.

"De MPFC is als een gefluister dat zoveel informatie vertegenwoordigt via zeer flexibele en dynamische ensembles", zei Tai. "Gemengde selectiviteit is de eigenschap die ons onze flexibiliteit, cognitieve vaardigheden en creativiteit geeft. Het is het geheim van het maximaliseren van de verwerkingskracht, wat in wezen de basis is van intelligentie."

Oorsprong van het idee

Het idee van gemengde selectiviteit ontstond in 2000, toen Miller en zijn collega John Duncan een verrassend resultaat verdedigden uit onderzoek naar cognitieve functies in het laboratorium van Miller. Toen de dieren de beelden in categorieën sorteerden, leek ongeveer 30 procent van de neuronen in de prefrontale cortex van de hersenen geactiveerd te zijn. Sceptici die geloofden dat elk neuron een specifieke functie had, spotten met het idee dat de hersenen zoveel cellen aan slechts één taak konden wijden. Het antwoord van Miller en Duncan was dat cellen misschien wel de flexibiliteit hadden om aan veel berekeningen deel te nemen. Het vermogen om in één hersengroep te dienen, sloot hun vermogen om vele anderen te dienen niet uit.

Maar welke voordelen brengt gemengde selectiviteit met zich mee? In 2013 werkte Miller samen met twee co-auteurs van een nieuw artikel, Mattia Rigotti van IBM Research en Stefano Fusi van Columbia University, om te laten zien hoe gemengde selectiviteit de hersenen krachtige computationele flexibiliteit geeft. In wezen kan een ensemble van neuronen met gemengde selectiviteit veel meer dimensies van taakinformatie huisvesten dan een populatie van neuronen met invariante functies.

"Sinds ons eerste werk hebben we vooruitgang geboekt bij het begrijpen van de theorie van gemengde selectiviteit door de lens van klassieke machine learning-ideeën", aldus Rigotti. "Aan de andere kant zijn vragen die belangrijk zijn voor experimentatoren over de mechanismen die dit op cellulair niveau doen relatief weinig onderzocht. Deze samenwerking en dit nieuwe artikel waren bedoeld om deze leemte op te vullen."

In het nieuwe artikel presenteren de auteurs een muis die beslist of hij een bes eet. Ze ruikt misschien heerlijk (dat is één dimensie). Het kan giftig zijn (dat is iets anders). Een andere dimensie van het probleem kan zich voordoen in de vorm van een sociaal signaal. Als een muis een bes ruikt tijdens de adem van een andere muis, dan is de bes waarschijnlijk eetbaar (afhankelijk van de schijnbare gezondheid van de andere muis). Een neuraal ensemble met gemengde selectiviteit zal dit alles kunnen integreren.

Neuronen aantrekken

Hoewel gemengde selectiviteit wordt ondersteund door overvloedig bewijs – het is waargenomen in de hele cortex en in andere hersengebieden zoals de hippocampus en de amygdala – blijven er open vragen bestaan. Hoe worden neuronen bijvoorbeeld gerekruteerd voor taken, en hoe blijven neuronen die zo ‘ruimdenkend’ zijn, alleen afgestemd op wat echt belangrijk is voor de missie?

In een nieuwe studie identificeren onderzoekers, waaronder Marcus Benna van UC San Diego en Felix Taschbach van het Salk Institute, de vormen van gemengde selectiviteit die de onderzoekers hebben waargenomen en beweren dat wanneer oscillaties (ook bekend als 'hersengolven') en neuromodulatoren ( chemische stoffen zoals serotonine of dopamine die de neurale functie beïnvloeden) trekken neuronen aan in computationele ensembles, ze helpen hen ook te ‘filteren’ wat voor dit doel belangrijk is.

Natuurlijk zijn sommige neuronen gespecialiseerd in een bepaalde input, maar de auteurs merken op dat dit de uitzondering is en niet de regel. De auteurs zeggen dat deze cellen "pure selectiviteit" hebben. Het maakt ze alleen uit als het konijn de sla ziet. Sommige neuronen vertonen 'lineaire gemengde selectiviteit', wat betekent dat hun reactie voorspelbaar afhangt van de som van meerdere inputs (een konijn ziet sla en heeft honger). De neuronen die de meeste meetflexibiliteit toevoegen, zijn die met ‘niet-lineaire gemengde selectiviteit’, die meerdere onafhankelijke variabelen kunnen verklaren zonder de noodzaak om ze op te tellen. In plaats daarvan kunnen ze rekening houden met een hele reeks onafhankelijke omstandigheden (er is bijvoorbeeld sla, ik heb honger, ik hoor geen haviken, ik ruik geen coyotes, maar de sla is ver weg en ik kan zie een vrij sterk hek).

Wat trekt neuronen aan om zich te concentreren op belangrijke factoren, ongeacht hoeveel er zijn? Eén mechanisme is oscillatie, dat in de hersenen optreedt wanneer veel neuronen hun elektrische activiteit in hetzelfde ritme handhaven. Deze gecoördineerde activiteit maakt het mogelijk informatie te delen, waardoor ze in wezen op elkaar worden afgestemd, zoals een groep auto's die allemaal hetzelfde radiostation afspelen (misschien een uitzending van een havik die boven haar hoofd cirkelt). Een ander mechanisme dat de auteurs benadrukken zijn neuromodulatoren. Dit zijn chemicaliën die, wanneer ze receptoren in cellen bereiken, ook hun activiteit kunnen beïnvloeden. Een golf van acetylcholine kan bijvoorbeeld op dezelfde manier neuronen met overeenkomstige receptoren prikkelen voor een specifieke activiteit of informatie (misschien het hongergevoel).

"Deze twee mechanismen werken waarschijnlijk samen om op dynamische wijze functionele netwerken te vormen", schrijven de auteurs.

Het begrijpen van gemengde selectiviteit, zo vervolgen ze, is van cruciaal belang voor het begrijpen van cognitie.

“Gemengde selectiviteit is alomtegenwoordig”, concluderen ze. ‘Het is aanwezig bij alle soorten en vervult een verscheidenheid aan functies, van cognitie op hoog niveau tot ‘automatische’ sensomotorische processen zoals objectherkenning. Het wijdverbreide voorkomen van gemengde selectiviteit benadrukt de fundamentele rol ervan bij het voorzien van de hersenen van de schaalbare verwerkingskracht die nodig is voor complexe processen. Gedachten en acties." p>

Lees meer over het onderzoek in CELL magazine