混合選択性の力: 脳機能と認知を理解する

私たちの脳は毎日、トレードオフを最適化しようと努めている。私たちの周りでは多くの出来事が起こっており、同時に多くの内部的な衝動や記憶があるため、私たちの思考は柔軟でありながら、私たちが行うすべてのことを導くのに十分な集中力を備えている必要がある。必要なこと。ニューロン誌に掲載された新しい論文で、神経科学者のチームが、脳が、無関係な情報に圧倒されることなく、すべての関連情報を統合する認知能力をどのように獲得するかについて説明しています。

著者らは、柔軟性は多くのニューロンで観察される重要な特性、「混合選択性」から生じると主張しています。多くの神経科学者は、以前は各細胞には 1 つの特殊な機能しかないと考えていましたが、最近の証拠では、多くのニューロンが並行して機能するさまざまな計算アンサンブルに参加できることが示されています。つまり、ウサギが庭のレタスをかじろうと考えているとき、1 つのニューロンは空腹を判断するだけでなく、頭上を飛ぶタカの音を聞いたり、木にとまるコヨーテの匂いを嗅いだり、レタスがどのくらい離れているかを判断したりすることにも関与している可能性がある。 p>

脳はマルチタスクではないが、多くの細胞は複数の計算プロセス (基本的には「思考」) に従事する能力を持っていると、MIT のピコワー学習記憶研究所の教授で、混合選択性というアイデアの先駆者の 1 人である共著者の Earl K. Miller 氏は述べた。新しい論文では、著者らは、脳がニューロンを動員してさまざまな計算を実行し、それらのニューロンが複雑な問題の正しい数の次元を表すようにするために使用する特定のメカニズムについて説明している。

これらのニューロンは多くの機能を実行します。混合選択性により、必要なだけ複雑な代表空間を持つことができます。認知機能の柔軟性はここにあります。」

マサチューセッツ工科大学ピコワー学習記憶研究所教授、アール・K・ミラー

共著者で、ソーク研究所およびカリフォルニア大学サンディエゴ校教授のケイ・タイ氏は、ニューロン間の混合選択性、特に内側前頭前野における混合選択性が、多くの精神的能力を可能にする鍵であると述べました。

「MPFC は、非常に柔軟で動的な集合体を通じて非常に多くの情報を表すささやき声のようなものです」とタイ氏は言います。「混合選択性は、私たちに柔軟性、認知能力、創造性を与える特性です。それは、本質的に知性の基礎である処理能力を最大化する秘訣です。」

アイデアの起源

混合選択性のアイデアは、2000 年にミラー氏と同僚のジョン・ダンカン氏がミラー氏の研究室での認知機能に関する研究から得られた驚くべき結果を擁護したときに生まれました。動物が画像をカテゴリに分類すると、脳の前頭前野のニューロンの約 30% が活性化されたようです。各ニューロンに専用の機能があると信じていた懐疑論者は、脳が 1 つのタスクにこれほど多くの細胞を割くことができるという考えをあざ笑いました。ミラー氏とダンカン氏の答えは、細胞には多くの計算に参加できる柔軟性があるのではないかというものでした。 1 つの脳グループで機能する能力は、他の多くの脳グループで機能する能力を妨げるものではありませんでした。

しかし、混合選択性はどのような利点をもたらすのでしょうか。2013 年にミラー氏は、IBM リサーチの Mattia Rigotti 氏とコロンビア大学の Stefano Fusi 氏の 2 人の共著者と協力し、混合選択性が脳に強力な計算柔軟性を与える仕組みを示しました。本質的には、混合選択性を持つニューロンの集合は、不変機能を持つニューロンの集団よりもはるかに多くの次元のタスク情報に対応できます。

「最初の研究以来、古典的な機械学習の考え方を通して混合選択性の理論を理解する上で進歩を遂げてきました」と Rigotti 氏は言います。「一方、細胞レベルでこれを実現するメカニズムに関する実験者にとって重要な疑問は、比較的ほとんど研究されていません。この共同研究とこの新しい論文は、このギャップを埋めることを目的としていました。」

新しい論文では、著者らはベリーを食べるかどうかを決めるマウスを示しています。彼女はおいしそうな匂いがするかもしれません (これは 1 つの側面です)。毒があるかもしれません (これは別の側面です)。問題のもう 1 つまたは 2 つの側面は、社会的シグナルの形で発生する可能性があります。マウスが他のマウスの息からベリーの匂いを嗅いだ場合、そのベリーはおそらく食べられるでしょう (他のマウスの見かけの健康状態によって異なります)。混合選択性を持つ神経集団は、これらすべてを統合することができます。

ニューロンの誘引

混合選択性は豊富な証拠によって裏付けられていますが (皮質全体、および海馬や扁桃体などの他の脳領域で観察されています)、未解決の問題が残っています。たとえば、ニューロンはどのようにしてタスクに採用されるのか、そして、非常に「寛容な」ニューロンはどのようにして、ミッションにとって本当に重要なことだけに焦点を合わせ続けるのか？

新しい研究で、カリフォルニア大学サンディエゴ校のマーカス・ベナ氏やソーク研究所のフェリックス・タシュバッハ氏などの研究者は、研究者が観察した混合選択性の形態を特定し、振動（「脳波」とも呼ばれる）と神経調節物質（神経機能に影響を与えるセロトニンやドーパミンなどの化学物質）がニューロンを計算集団に引き込む際に、この目的にとって重要なものを「フィルタリング」するのにも役立つと主張している。

もちろん、一部のニューロンは特定の入力に特化しているが、著者らは、それらは例外であり、規則ではないと指摘している。著者らは、これらの細胞は「純粋な選択性」を持っていると述べている。これらの細胞は、ウサギがレタスを見るかどうかだけを気にする。一部のニューロンは「線形混合選択性」を示し、つまり、それらの反応は複数の入力の合計に予測どおりに依存する（ウサギはレタスを見て空腹を感じる）。測定の柔軟性を最も高めるニューロンは、「非線形混合選択性」を持つニューロンです。これは、複数の独立変数を合計する必要なく考慮できます。代わりに、一連の独立した条件全体を考慮できます (たとえば、レタスがあり、お腹がすいていて、タカの鳴き声は聞こえず、コヨーテの匂いはしないが、レタスは遠くにあり、かなり頑丈なフェンスが見える)。

では、ニューロンがいくつあっても、何がニューロンを重要な要因に集中させるのでしょうか。1 つのメカニズムは振動です。これは、脳内で多くのニューロンが同じリズムで電気活動を維持しているときに発生します。この協調活動により、情報の共有が可能になり、基本的に、同じラジオ局 (頭上を旋回するタカの放送など) を再生している車のグループのように、ニューロンが一緒に調整されます。著者が強調するもう 1 つのメカニズムは、神経調節物質です。これらは、細胞内の受容体に到達すると、受容体の活動にも影響を与える化学物質です。たとえば、アセチルコリンの急増は、特定の活動や情報（おそらく空腹感）に対応する受容体を持つニューロンを同様に準備することができます。

「これら 2 つのメカニズムはおそらく連携して機能ネットワークを動的に形成します」と著者らは書いています。

混合選択性を理解することは、認知を理解する上で非常に重要であると著者らは続けます。

「混合選択性はどこにでもある」と彼らは結論づけている。 「それは種を超えて存在し、高レベルの認知から物体認識などの「自動的な」感覚運動プロセスまで、さまざまな機能を果たします。混合選択性の広範な発生は、複雑な思考や行動に必要なスケーラブルな処理能力を脳に提供するというその基本的な役割を強調しています。」 p>

この研究の詳細については、CELL マガジン をご覧ください。