איך המוח שולט במורכבות מבלי לרדת לכאוס

חוקרים מגלים כי נוירונים המפגינים "סלקטיביות מעורבת" מאפשרים למוח שלנו להתמודד עם מספר חישובים בו-זמנית, ומספקים את הגמישות הדרושה למשימות קוגניטיביות מורכבות.

נוירונים רבים מפגינים "סלקטיביות מעורבת", כלומר הם יכולים לשלב מספר תשומות ולהשתתף במספר חישובים. מנגנונים כגון תנודות ונוירומודולטורים מגייסים את השתתפותם ומכוונים אותם להתמקד במידע הרלוונטי.

כל יום המוח שלנו שואף לייעל פשרה: עם הרבה דברים שקורים סביבנו, גם כשאנחנו מכילים הרבה כוננים פנימיים וזיכרונות, איכשהו המחשבות שלנו חייבות להיות גמישות אך ממוקדות מספיק כדי להנחות את כל מה שעלינו לעשות. במאמר חדש שפורסם בכתב העת עֲצָבוֹן, צוות של מדעני מוח מתאר כיצד המוח משיג את היכולת הקוגניטיבית לשלב את כל המידע הרלוונטי מבלי להיות המום ממה שלא.

תפקידה של סלקטיביות מעורבת

המחברים טוענים שהגמישות נובעת מתכונה מרכזית שנצפתה בנוירונים רבים: "סלקטיביות מעורבת". בעוד שמדעני מוח רבים נהגו לחשוב שלכל תא יש רק פונקציה ייעודית אחת, עדויות עדכניות יותר הראו כי נוירונים רבים יכולים במקום זאת להשתתף במגוון של הרכבים חישוביים, שכל אחד מהם פועל במקביל. במילים אחרות, כאשר ארנב שוקל לנשנש חסה כלשהי בגינה, נוירון בודד עשוי להיות מעורב לא רק בהערכת תחושת הרעב שלו, אלא גם האם הוא יכול לשמוע נץ ממעל או להריח זאב ערבות בעצים וכמה רחוק. החסה היא.

המוח אינו מבצע ריבוי משימות, אמר מחבר המאמר ארל ק. מילר, פרופסור פיקואר במכון פיקואר ללמידה וזיכרון ב- MIT וחלוצה של רעיון הסלקטיביות המעורבת, אבל לתאים רבים יש את היכולת להיקשר למאמצים חישוביים מרובים (בעצם "מחשבות"). במאמר החדש, המחברים מתארים מנגנונים ספציפיים שהמוח משתמש כדי לגייס נוירונים לחישובים שונים ולהבטיח כי נוירונים אלה מייצגים את המספר הנכון של ממדים של משימה מורכבת.

"נוירונים אלה חובשים כובעים רבים," אמר מילר. "עם סלקטיביות מעורבת אתה יכול לקבל מרחב ייצוגי שהוא מורכב ככל שהוא צריך להיות ולא מורכב יותר. זה מה שקורה קוגניציה גמישה".

מחבר שותף קיי טיי, פרופסור במכון סאלק ובאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו, אמר כי סלקטיביות מעורבת בין נוירונים במיוחד בקליפת המוח הקדם-מצחית המדיאלית היא המפתח לאפשר יכולות נפשיות רבות.

"ה-mPFC הוא כמו זמזום של לחישות שמייצג כל כך הרבה מידע באמצעות הרכבים גמישים ודינמיים מאוד", אמר טיי. "סלקטיביות מעורבת היא התכונה שמעניקה לנו את הגמישות, היכולת הקוגניטיבית והיכולת שלנו להיות יצירתיים. זהו הסוד למקסום כוח החישוב שהוא בעצם הבסיס של האינטליגנציה."

מקורותיו של רעיון

הרעיון של סלקטיביות מעורבת נבט בשנת 2000 כאשר מילר ועמיתו ג'ון דאנקן הגנו על תוצאה מפתיעה ממחקר קוגניציה במעבדתו של מילר. כשבעלי חיים מיינו תמונות לקטגוריות, נראה היה כי כ-30 אחוז מהנוירונים בקליפת המוח הקדם-מצחית של המוח היו מעורבים. ספקנים שהאמינו שלכל נוירון יש תפקיד ייעודי לעגו שהמוח יקדיש כל כך הרבה תאים למשימה אחת בלבד. תשובתם של מילר ודנקן הייתה שאולי לתאים הייתה הגמישות להיות מעורבים בחישובים רבים. היכולת לשרת בכוח משימה מוחי אחד, כביכול, לא מנעה מהם את האפשרות לשרת רבים אחרים.

אבל איזה תועלת משדרת סלקטיביות מעורבת? בשנת 2013 מילר חבר לשני מחברי המאמר החדש, מתיה ריגוטי מ-IBM Research וסטפנו פוסי מ- אוניברסיטת קולומביה, כדי להראות כיצד סלקטיביות מעורבת מעניקה למוח גמישות חישובית רבת עוצמה. בעיקרו של דבר, אנסמבל של נוירונים עם סלקטיביות מעורבת יכול להכיל הרבה יותר מימדים של מידע על משימה מאשר אוכלוסיה של נוירונים עם פונקציות בלתי משתנות.

"מאז העבודה המקורית שלנו, התקדמנו בהבנת התיאוריה של סלקטיביות מעורבת דרך העדשה של הקלאסית למידת מכונה רעיונות," אמר ריגוטי. "מצד שני, שאלות יקרות לנסיינים לגבי המנגנונים המיישמים אותה ברמה התאית לא נחקרו באופן יחסי. שיתוף הפעולה הזה והעיתון החדש הזה יצאו למלא את הפער הזה".

במאמר החדש המחברים מדמיינים עכבר ששוקל אם לאכול פירות יער. זה עשוי להריח טעים (זה מימד אחד). זה עלול להיות רעיל (זה עוד). מימד נוסף או שניים של הבעיה יכול לבוא בצורה של רמז חברתי. אם העכבר מריח את ניחוח פירות היער בנשימה של חבר עכבר, אז כנראה שהברי הוא בסדר לאכילה (תלוי בבריאותו הנראית של העכבר הבחור). אנסמבל עצבי עם סלקטיביות מעורבת יוכל לשלב את כל זה.

גיוס נוירונים

בעוד שלסלקטיביות מעורבת יש גיבוי של עדויות רבות – היא נצפתה על פני קליפת המוח ובאזורי מוח אחרים כמו ההיפוקמפוס והאמיגדלה – עדיין יש שאלות פתוחות. למשל, איך מגייסים נוירונים למשימות ואיך נוירונים שהם כל כך "פתוחים" נשארים מכוונים רק למה שחשוב באמת למשימה?

במחקר החדש, החוקרים שכוללים גם את מרקוס בנה מאוניברסיטת סן דייגו ופליקס טשבאך ממכון סאלק, מגדירים את צורות הסלקטיביות המעורבת שבהן הבחינו החוקרים, וטוענים שכאשר תנודות (הידועות גם בשם "גלי מוח") ו נוירומודולטורים (כימיקלים כגון סרוטונין או דופמין המשפיעים על תפקוד עצבי) מגייסים נוירונים להרכבים חישוביים, הם גם עוזרים להם "לשער" את מה שחשוב למטרה זו.

מה שבטוח, חלק מהנוירונים מוקדשים לקלט ספציפי, אך המחברים מציינים שהם חריגים ולא הכלל. המחברים אומרים שלתאים הללו יש "סלקטיביות טהורה". אכפת להם רק אם הארנב רואה חסה. חלק מהנוירונים מציגים "סלקטיביות מעורבת ליניארית", כלומר התגובה שלהם תלויה כצפוי במספר קלטים שמצטברים (הארנב רואה חסה ומרגיש רעב). הנוירונים שמוסיפים את הגמישות הממדית ביותר הם "הבררנות המעורבת הלא-לינארית" שיכולים להסביר מספר משתנים בלתי תלויים מבלי לסכם אותם בהכרח. במקום זאת הם עשויים לשקול סט שלם של תנאים עצמאיים (למשל יש חסה, אני רעב, אני לא שומע נצים, אני לא מריח זאב ערבות, אבל החסה רחוקה ואני רואה גדר די חזקה).

אז מה מביא את הנוירונים לקפל להתמקד בגורמים הבולטים, כמה שיהיו? מנגנון אחד הוא תנודות, המיוצרות במוח כאשר נוירונים רבים שומרים על פעילותם החשמלית באותו קצב. הפעילות המתואמת הזו מאפשרת שיתוף מידע, ובעצם מכווננת אותם יחד כמו חבורה של מכוניות שכולן משמיעות את אותה תחנת רדיו (אולי השידור הוא על נץ שחוג מעליו). מנגנון נוסף שהמחברים מדגישים הוא נוירומודולטורים. אלו הם כימיקלים שעם הגעה לקולטנים בתוך התאים יכולים להשפיע גם על פעילותם. פרץ של אצטילכולין, למשל, עשוי להתאים באופן דומה נוירונים עם הקולטנים הנכונים לפעילות או מידע מסוים (כמו אולי תחושת הרעב ההיא).

"שני המנגנונים הללו כנראה פועלים יחד כדי ליצור באופן דינמי רשתות פונקציונליות", כותבים המחברים.

הבנת סלקטיביות מעורבת, הם ממשיכים, היא קריטית להבנת הקוגניציה.

"סלקטיביות מעורבת נמצאת בכל מקום", הם מסכמים. "זה נוכח לרוחב מִין ועל פני פונקציות מקוגניציה ברמה גבוהה לתהליכים סנסומוטוריים 'אוטומטיים' כמו זיהוי אובייקטים. הנוכחות הנרחבת של סלקטיביות מעורבת מדגישה את תפקידה הבסיסי לספק למוח את כוח העיבוד הניתן להרחבה הדרושה למחשבה ולפעולה מורכבות."