복잡한 세상에서 (혼돈에 빠지지 않고) 뇌가 충분히 유연한 이유

매일 우리의 두뇌는 균형을 최적화하기 위해 노력합니다. 우리 주변에 많은 일이 일어나고 있을 때에도 많은 내부 충동과 기억을 품고 있기 때문에 어떻게든 우리의 생각은 우리가 해야 할 모든 일을 안내할 수 있을 만큼 유연하면서도 집중적이어야 합니다. 의 새로운 논문에서 뉴런, 신경과학자 팀은 관련 없는 정보에 압도당하지 않고 관련 있는 모든 정보를 통합할 수 있는 인지 능력을 뇌가 어떻게 달성하는지 설명합니다.

저자들은 유연성이 많은 뉴런에서 관찰되는 주요 특성인 “혼합 선택성”에서 발생한다고 주장합니다. 많은 신경과학자들은 각 세포가 하나의 전용 기능만을 가지고 있다고 생각했지만, 최근의 증거에 따르면 많은 뉴런이 대신에 각각 병렬로 작동하는 다양한 계산 앙상블에 참여할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 즉, 토끼가 정원에서 상추를 먹을 때 단일 뉴런은 자신이 얼마나 배고픈지 평가하는 것뿐만 아니라 머리 위에서 매의 소리를 듣거나 나무에 있는 코요테의 냄새를 맡을 수 있는지, 얼마나 멀리 떨어져 있는지 평가하는 데 관여할 수 있습니다. 상추는요.

논문 공동 저자이자 MIT 피코워 학습 및 기억 연구소의 피코워 교수이자 혼합 선택성 아이디어의 선구자인 얼 K. 밀러(Earl K. Miller)는 뇌는 멀티태스킹을 하지 않는다고 말했습니다. 그러나 많은 세포는 다중 계산 작업에 묶여 있을 수 있는 능력을 가지고 있습니다. 노력(본질적으로 “생각”). 새로운 논문에서 저자는 뉴런을 다양한 계산에 모집하고 해당 뉴런이 복잡한 작업의 적절한 수의 차원을 나타내도록 하기 위해 뇌가 사용하는 특정 메커니즘을 설명합니다.

Miller는 “이 뉴런은 여러 개의 모자를 쓰고 있습니다”라고 말했습니다. “혼합 선택성을 사용하면 필요한 만큼 복잡하고 더 이상 복잡하지 않은 표현 공간을 가질 수 있습니다. 이것이 유연한 인지의 전부입니다.”

공동저자인 The Salk Institute 및 University of California at San Diego 교수인 Kay Tye는 특히 내측 전전두엽 피질에 있는 뉴런 간의 혼합 선택성이 많은 정신 능력을 활성화하는 데 핵심이라고 말했습니다.

“mPFC는 매우 유연하고 역동적인 앙상블을 통해 많은 정보를 표현하는 속삭임과 같습니다”라고 Tye는 말했습니다. “혼합 선택성은 우리에게 유연성, 인지 능력, 창의성을 부여하는 속성입니다. 이는 본질적으로 지능의 토대인 계산 능력을 극대화하는 비결입니다.”

아이디어의 기원

혼합 선택성에 대한 아이디어는 2000년 Miller와 동료 John Duncan이 Miller 연구실의 인지 연구에서 나온 놀라운 결과를 옹호하면서 시작되었습니다. 동물들이 이미지를 카테고리별로 분류할 때 뇌의 전두엽 피질에 있는 뉴런의 약 30%가 관련된 것으로 보였습니다. 모든 뉴런이 전용 기능을 가지고 있다고 믿는 회의론자들은 뇌가 단 하나의 작업에 너무 많은 세포를 할당한다고 비웃었습니다. Miller와 Duncan의 대답은 아마도 세포가 많은 계산에 참여할 수 있는 유연성을 가지고 있다는 것이었습니다. 말하자면 하나의 대뇌 특무부대에서 봉사할 수 있는 능력이 그들이 다른 많은 특수부대에서 봉사할 수 있는 것을 방해하지는 않았습니다.

그러나 혼합 선택성은 어떤 이점을 제공합니까? 2013년에 Miller는 IBM Research의 Mattia Rigotti 및 Columbia University의 Stefano Fusi라는 새로운 논문의 공동 저자 두 명과 협력하여 혼합 선택성이 뇌에 강력한 계산 유연성을 부여하는 방법을 보여주었습니다. 본질적으로, 혼합 선택성을 갖는 뉴런의 앙상블은 불변 기능을 갖는 뉴런 집단보다 작업에 대한 더 많은 차원의 정보를 수용할 수 있습니다.

Rigotti는 “원작 이후 우리는 고전적인 기계 학습 아이디어의 렌즈를 통해 혼합 선택성 이론을 이해하는 데 진전을 이루었습니다.”라고 말했습니다. “반면에 세포 수준에서 이를 구현하는 메커니즘에 대한 실험가들에게 중요한 질문은 상대적으로 과소 탐구되었습니다. 이번 협력과 이 새로운 논문은 그 격차를 메우기 시작했습니다.”

새 논문에서 저자들은 베리를 먹을지 고민하는 쥐를 상상합니다. 맛있는 냄새가 날 수도 있습니다(그것은 1차원입니다). 그것은 유독할 수도 있습니다(그것은 또 다른 것입니다). 문제의 또 다른 차원은 사회적 단서의 형태로 나타날 수 있습니다. 쥐가 동료 쥐의 입에서 베리 향을 맡는다면, 그 베리는 먹어도 괜찮을 것입니다(동료 쥐의 겉보기 건강 상태에 따라 다름). 선택성이 혼합된 신경 앙상블은 이 모든 것을 통합할 수 있습니다.

뉴런 모집

혼합 선택성은 피질 전체와 해마 및 편도체와 같은 다른 뇌 영역에서 관찰된 풍부한 증거를 뒷받침하지만 여전히 열려 있는 질문이 있습니다. 예를 들어, 뉴런은 어떻게 작업에 동원되며 그렇게 “개방적인” 뉴런은 어떻게 임무에 정말로 중요한 것에만 조정을 유지합니까?

새로운 연구에서 UC San Diego의 Marcus Benna와 The Salk Institute의 Felix Taschbach를 포함한 연구자들은 연구자들이 관찰한 혼합 선택성의 형태를 정의하고 진동(“뇌파”라고도 함)과 신경 조절제(신경 기능에 영향을 미치는 세로토닌이나 도파민과 같은 화학 물질)는 뉴런을 계산 앙상블로 모집하고, 해당 목적에 중요한 것을 “게이트”하도록 도와줍니다.

확실히 일부 뉴런은 특정 입력에만 사용되지만 저자는 이것이 규칙이 아니라 예외라고 지적합니다. 저자들은 이 세포들이 “순수한 선택성”을 갖고 있다고 말합니다. 그들은 토끼가 상추를 보는지에만 관심을 갖습니다. 일부 뉴런은 “선형 혼합 선택성”을 나타냅니다. 이는 해당 뉴런의 반응이 예상대로 여러 입력의 합산에 따라 달라짐을 의미합니다(토끼는 상추를 보고 배고픔을 느낍니다). 가장 차원적 유연성을 추가하는 뉴런은 반드시 합산하지 않고도 여러 독립 변수를 설명할 수 있는 “비선형 혼합 선택성” 뉴런입니다. 대신 그들은 일련의 독립적인 조건의 무게를 측정할 수 있습니다(예: 상추가 있고, 배가 고프고, 매 소리가 들리지 않고, 코요테 냄새가 나지 않지만 상추는 멀리 있고 꽤 튼튼한 울타리가 보입니다).

그렇다면 뉴런이 아무리 많아도 두드러진 요인에 초점을 맞추기 위해 뉴런을 접는 부분으로 가져오는 것은 무엇입니까? 한 가지 메커니즘은 진동인데, 이는 많은 뉴런이 모두 동일한 리듬으로 전기적 활동을 유지할 때 뇌에서 생성됩니다. 이러한 조정된 활동은 정보 공유를 가능하게 하며, 본질적으로 동일한 라디오 방송국을 재생하는 여러 자동차처럼 함께 조정합니다(방송은 머리 위를 선회하는 매에 관한 것일 수도 있습니다). 저자가 강조하는 또 다른 메커니즘은 신경조절제입니다. 이는 세포 내의 수용체에 도달하면 세포의 활동에도 영향을 줄 수 있는 화학 물질입니다. 예를 들어, 아세틸콜린이 폭발적으로 분비되면 특정 활동이나 정보(배고픈 느낌 등)에 적합한 수용체를 가진 뉴런이 유사하게 조율될 수 있습니다.

“이 두 메커니즘은 함께 작동하여 기능적 네트워크를 동적으로 형성할 가능성이 높습니다.”라고 저자는 썼습니다.

그들은 계속해서 혼합 선택성을 이해하는 것이 인지를 이해하는 데 중요하다고 말합니다.

“혼합 선택성은 어디에나 존재한다”고 그들은 결론을 내렸습니다. “이는 높은 수준의 인지부터 물체 인식과 같은 ‘자동’ 감각운동 과정에 이르기까지 다양한 종과 기능 전반에 걸쳐 존재합니다. 혼합 선택성의 광범위한 존재는 복잡한 사고와 행동에 필요한 확장 가능한 처리 능력을 뇌에 제공하는 근본적인 역할을 강조합니다. .”

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/05/240510111409.htm