قوة الانتقائية المختلطة: فهم وظيفة الدماغ والإدراك

يسعى دماغنا كل يوم إلى تحسين المقايضة: مع حدوث العديد من الأحداث من حولنا، وفي الوقت نفسه العديد من الدوافع والذكريات الداخلية، يجب أن تكون أفكارنا مرنة ولكن مركزة بدرجة كافية لتوجيه كل ما يتعين علينا القيام به. في ورقة بحثية جديدة نُشرت في مجلة Neuron، يصف فريق من علماء الأعصاب كيف يحقق الدماغ القدرة المعرفية على دمج جميع المعلومات ذات الصلة دون أن يطغى عليه ما ليس له صلة.

يرى المؤلفون أن المرونة تنبع من خاصية رئيسية لوحظت في العديد من الخلايا العصبية: "الانتقائية المختلطة". في حين كان العديد من علماء الأعصاب يعتقدون سابقًا أن كل خلية لها وظيفة متخصصة واحدة فقط، فقد أظهرت الأدلة الحديثة أن العديد من الخلايا العصبية يمكنها المشاركة في مجموعات حسابية مختلفة تعمل بالتوازي. بمعنى آخر، عندما يفكر أرنب في تناول الخس في الحديقة، قد تشارك إحدى الخلايا العصبية ليس فقط في الحكم على جوعه، ولكن أيضًا في سماع صقر فوق رأسه أو شم ذئب البراري في الأشجار وتحديد مدى بعد الخس..ص>

إن الدماغ ليس متعدد المهام، كما قال المؤلف المشارك إيرل ك. ميلر، الأستاذ في معهد بيكاور للتعلم والذاكرة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وأحد رواد فكرة الانتقائية المختلطة، ولكن العديد من الخلايا لديها القدرة للانخراط في عمليات حسابية متعددة (في الأساس، "الأفكار"). في الورقة الجديدة، يصف المؤلفون آليات محددة يستخدمها الدماغ لتجنيد الخلايا العصبية لإجراء حسابات مختلفة وللتأكد من أن تلك الخلايا العصبية تمثل العدد الصحيح من أبعاد مشكلة معقدة.

تؤدي هذه الخلايا العصبية العديد من الوظائف. مع الانتقائية المختلطة، من الممكن أن يكون لديك مساحة تمثيلية معقدة بالقدر الذي يجب أن تكون عليه، وليس أكثر. هذا هو المكان الذي تكمن فيه مرونة الوظيفة المعرفية."

إيرل ك. ميلر، أستاذ بمعهد بيكاور لدراسة التعلم والذاكرة بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

قال المؤلف المشارك كاي تاي، الأستاذ في معهد سالك وجامعة كاليفورنيا، سان دييغو، إن الانتقائية المختلطة بين الخلايا العصبية، وخاصة في قشرة الفص الجبهي الأوسط، هي المفتاح لتمكين العديد من القدرات العقلية.

وقال تاي: "إن MPFC يشبه الهمس الذي يمثل الكثير من المعلومات من خلال مجموعات مرنة وديناميكية للغاية". "الانتقائية المختلطة هي الخاصية التي تمنحنا المرونة والقدرة المعرفية والإبداع. إنها سر تعظيم قوة المعالجة، والتي هي في الأساس أساس الذكاء."

أصل الفكرة

نشأت فكرة الانتقائية المختلطة في عام 2000، عندما دافع ميلر وزميله جون دنكان عن نتيجة مفاجئة توصلت إليها أبحاث حول الوظيفة الإدراكية في مختبر ميلر. عندما قامت الحيوانات بفرز الصور إلى فئات، بدا أن حوالي 30% من الخلايا العصبية في قشرة الفص الجبهي في الدماغ قد تم تنشيطها. المتشككون الذين اعتقدوا أن كل خلية عصبية لها وظيفة مخصصة، سخروا من فكرة أن الدماغ يمكن أن يخصص العديد من الخلايا لمهمة واحدة فقط. وكانت إجابة ميلر ودنكان هي أنه ربما تتمتع الخلايا بالمرونة اللازمة للمشاركة في العديد من الحسابات. إن القدرة على الخدمة في مجموعة دماغية واحدة، كما كانت، لم تمنع قدرتهم على خدمة العديد من المجموعات الأخرى.

ولكن ما هي الفوائد التي تجلبها الانتقائية المختلطة؟ في عام 2013، تعاون ميلر مع اثنين من المؤلفين المشاركين في ورقة بحثية جديدة، هما ماتيا ريجوتي من أبحاث IBM وستيفانو فوسي من جامعة كولومبيا، لإظهار كيف أن الانتقائية المختلطة تمنح الدماغ مرونة حسابية قوية. في جوهر الأمر، يمكن لمجموعة من الخلايا العصبية ذات الانتقائية المختلطة استيعاب العديد من أبعاد معلومات المهمة أكثر من مجموعة الخلايا العصبية ذات الوظائف الثابتة.

وقال ريجوتي: "منذ عملنا الأولي، أحرزنا تقدمًا في فهم نظرية الانتقائية المختلطة من خلال عدسة أفكار التعلم الآلي الكلاسيكية". "من ناحية أخرى، لم يتم استكشاف الأسئلة المهمة للعلماء التجريبيين حول الآليات التي تقوم بذلك على المستوى الخلوي إلا قليلاً نسبيًا. ويهدف هذا التعاون وهذه الورقة البحثية الجديدة إلى سد هذه الفجوة."

في الورقة الجديدة، قدم المؤلفون فأرًا يقرر ما إذا كان سيأكل التوت أم لا. قد تكون رائحتها لذيذة (وهذا أحد الأبعاد). يمكن أن تكون سامة (وهذا شيء آخر). وقد ينشأ بُعد آخر أو بُعدان آخران للمشكلة في شكل إشارة اجتماعية. إذا قام الفأر بشم رائحة التوت في أنفاس فأر آخر، فمن المحتمل أن تكون التوتة صالحة للأكل (اعتمادًا على الحالة الصحية للفأر الآخر). وستكون المجموعة العصبية ذات الانتقائية المختلطة قادرة على دمج كل هذا.

جذب الخلايا العصبية

على الرغم من أن الانتقائية المختلطة مدعومة بأدلة وفيرة - فقد تمت ملاحظتها في جميع أنحاء القشرة وفي مناطق أخرى من الدماغ مثل الحصين واللوزة الدماغية - إلا أن الأسئلة تظل مفتوحة. على سبيل المثال، كيف يتم تجنيد الخلايا العصبية لأداء المهام، وكيف تظل الخلايا العصبية "واسعة الأفق" ملتزمة فقط بما هو مهم حقًا للمهمة؟

في دراسة جديدة، حدد الباحثون، بما في ذلك ماركوس بينا من جامعة كاليفورنيا في سان دييغو وفيليكس تاشباخ من معهد سالك، أشكال الانتقائية المختلطة التي لاحظها الباحثون، ويجادلون بأنه عندما تحدث التذبذبات (المعروفة أيضًا باسم "موجات الدماغ") والمعدلات العصبية ( المواد الكيميائية مثل السيروتونين أو الدوبامين التي تؤثر على الوظيفة العصبية) تجذب الخلايا العصبية إلى مجموعات حسابية، كما أنها تساعدها أيضًا على "تصفية" ما هو مهم لهذا الغرض.

بالطبع، بعض الخلايا العصبية متخصصة في مدخلات معينة، لكن المؤلفين لاحظوا أنها الاستثناء، وليس القاعدة. ويقول المؤلفون إن هذه الخلايا لديها "انتقائية خالصة". إنهم يهتمون فقط إذا رأى الأرنب الخس. تُظهر بعض الخلايا العصبية "انتقائية خطية مختلطة"، مما يعني أن استجابتها تعتمد بشكل متوقع على مجموع المدخلات المتعددة (يرى الأرنب الخس ويشعر بالجوع). إن الخلايا العصبية التي تضيف أكبر قدر من المرونة في القياس هي تلك التي تتمتع بـ "الانتقائية المختلطة غير الخطية"، والتي يمكن أن تفسر متغيرات مستقلة متعددة دون الحاجة إلى جمعها. وبدلاً من ذلك، يمكنهم أن يأخذوا في الاعتبار مجموعة كاملة من الظروف المستقلة (على سبيل المثال، يوجد خس، وأنا جائع، ولا أسمع أي صقور، ولا أشم رائحة ذئاب القيوط، لكن الخس بعيد ويمكنني ذلك). رؤية سياج قوي إلى حد ما).

ما الذي يجذب الخلايا العصبية إلى التركيز على العوامل المهمة، مهما كان عددها؟ إحدى الآليات هي التذبذب، الذي يحدث في الدماغ عندما تحافظ العديد من الخلايا العصبية على نشاطها الكهربائي بنفس الإيقاع. يسمح هذا النشاط المنسق بمشاركة المعلومات، وضبطها معًا بشكل أساسي مثل مجموعة من السيارات التي تشغل نفس محطة الراديو (ربما بث صقر يحوم في السماء). الآلية الأخرى التي سلط المؤلفون الضوء عليها هي المعدلات العصبية. وهي مواد كيميائية، عندما تصل إلى مستقبلات داخل الخلايا، يمكن أن تؤثر أيضًا على نشاطها. على سبيل المثال، يمكن لتدفق الأسيتيل كولين أن يجهز الخلايا العصبية بمستقبلات مقابلة لنشاط أو معلومات معينة (ربما الشعور بالجوع).

"من المرجح أن تعمل هاتان الآليتان معًا لتشكيل شبكات وظيفية ديناميكيًا"، كما كتب المؤلفون.

ويواصلون أن فهم الانتقائية المختلطة أمر بالغ الأهمية لفهم الإدراك.

ويستنتجون أن "الانتقائية المختلطة موجودة في كل مكان". "إنه موجود عبر الأنواع ويخدم مجموعة متنوعة من الوظائف بدءًا من الإدراك عالي المستوى وحتى العمليات الحسية "التلقائية" مثل التعرف على الأشياء. إن انتشار الانتقائية المختلطة على نطاق واسع يسلط الضوء على دورها الأساسي في تزويد الدماغ بقوة المعالجة القابلة للتطوير اللازمة للعمليات المعقدة. الأفكار والأفعال."

اقرأ المزيد عن الدراسة في مجلة CELL