혼합 선택성의 힘: 뇌 기능과 인지의 이해

매일 우리의 두뇌는 균형을 최적화하기 위해 노력합니다. 우리 주변에서 많은 사건이 일어나고 동시에 많은 내부 충동과 기억이 있기 때문에 우리의 생각은 유연해야 하지만 우리가 해야 할 모든 일을 안내할 수 있을 만큼 집중해야 합니다. Neuron 저널에 게재된 새 논문에서 신경과학자 팀은 관련 없는 정보에 압도당하지 않고 모든 관련 정보를 통합하는 인지 능력을 뇌가 어떻게 달성하는지 설명합니다.

저자들은 유연성이 많은 뉴런에서 관찰되는 주요 특성인 '혼합 선택성'에서 비롯된다고 주장합니다. 이전에는 많은 신경과학자들이 각 세포가 단 하나의 특수 기능만을 가지고 있다고 생각했지만, 최근의 증거에 따르면 많은 뉴런이 병렬로 작동하는 다양한 계산 앙상블에 참여할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 즉, 토끼가 정원에서 상추를 먹을 것을 고려하고 있을 때 하나의 뉴런은 배고픔을 판단하는 것뿐만 아니라 머리 위에서 매의 소리를 듣거나 나무에 있는 코요테의 냄새를 맡고 상추가 얼마나 멀리 있는지 결정하는 데에도 관여할 수 있습니다..

공저자이자 MIT 피코워 학습 및 기억 연구소 교수이자 혼합 선택성 아이디어의 선구자 중 한 명인 얼 K. 밀러(Earl K. Miller)는 뇌가 다중 작업을 수행하는 것은 아니지만 많은 세포가 다중 작업 능력을 갖고 있다고 말했습니다. 여러 계산 과정(본질적으로 "생각")에 참여합니다. 새로운 논문에서 저자는 다양한 계산을 수행하고 해당 뉴런이 복잡한 문제의 정확한 차원 수를 나타내도록 하기 위해 뇌가 뉴런을 모집하는 데 사용하는 특정 메커니즘을 설명합니다.

이러한 뉴런은 다양한 기능을 수행합니다. 혼합 선택성을 사용하면 필요한 만큼 복잡하고 더 이상 복잡하지 않은 대표 공간을 가질 수 있습니다. 인지 기능의 유연성이 바로 여기에 있습니다."

Earl K. Miller, 매사추세츠 공과대학 학습 및 기억 연구를 위한 Picower 연구소 교수

공저자인 솔크 연구소(Salk Institute)와 샌디에이고 캘리포니아 대학교 교수인 케이 타이(Kaye Tai)는 특히 내측 전전두엽 피질에서 뉴런 간의 혼합 선택성이 많은 정신 능력을 활성화하는 데 핵심이라고 말했습니다.

"MPFC는 매우 유연하고 역동적인 앙상블을 통해 수많은 정보를 표현하는 속삭임과 같습니다"라고 Tai는 말했습니다. "혼합 선택성은 우리에게 유연성, 인지 능력, 창의성을 부여하는 속성입니다. 지능의 기본인 처리 능력을 극대화하는 비결입니다."

아이디어의 유래

혼합 선택성에 대한 아이디어는 2000년에 Miller와 그의 동료 John Duncan이 Miller의 실험실에서 인지 기능에 대한 연구를 통해 얻은 놀라운 결과를 옹호하면서 시작되었습니다. 동물들이 이미지를 카테고리별로 분류했을 때, 뇌 전두엽 피질의 뉴런 중 약 30%가 활성화된 것으로 나타났습니다. 각 뉴런이 전용 기능을 가지고 있다고 믿었던 회의론자들은 뇌가 단 하나의 작업에 너무 많은 세포를 할당할 수 있다는 생각을 비웃었습니다. Miller와 Duncan의 대답은 아마도 세포가 많은 계산에 참여할 수 있는 유연성을 가지고 있다는 것이었습니다. 한 두뇌 그룹에서 봉사할 수 있는 능력은 말하자면 다른 많은 두뇌 그룹에서 봉사할 수 있는 능력을 배제하지 않았습니다.

그러나 혼합 선택성은 어떤 이점을 가져오나요? 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 더 많은 차원의 작업 정보를 수용할 수 있습니다.

Rigotti는 "초기 작업 이후 고전적인 기계 학습 아이디어의 렌즈를 통해 혼합 선택성 이론을 이해하는 데 진전을 이루었습니다."라고 말했습니다. "반면에 세포 수준에서 이를 수행하는 메커니즘에 관해 실험가들에게 중요한 질문은 상대적으로 거의 탐구되지 않았습니다. 이번 협력과 이 새로운 논문은 이러한 격차를 메우는 것을 목표로 했습니다."

새 논문에서 저자는 베리를 먹을지 여부를 결정하는 쥐를 제시합니다. 그녀에게서 맛있는 냄새가 날 수도 있습니다(그것은 한 차원입니다). 그것은 유독할 수 있습니다(그것은 또 다른 문제입니다). 문제의 또 다른 차원은 사회적 신호의 형태로 발생할 수 있습니다. 쥐가 다른 쥐의 숨결에서 베리 냄새를 맡는다면, 그 베리는 아마도 먹을 수 있을 것입니다(다른 쥐의 겉보기 건강 상태에 따라 다름). 혼합 선택성을 갖춘 신경 앙상블은 이 모든 것을 통합할 수 있습니다.

뉴런을 유인

혼합 선택성은 풍부한 증거에 의해 뒷받침되지만(피질 전체와 해마 및 편도체와 같은 다른 뇌 영역에서 관찰됨) 아직 의문이 남아 있습니다. 예를 들어, 뉴런은 어떻게 작업에 참여하며, 그토록 '넓은 마음'을 가진 뉴런은 어떻게 임무에 정말로 중요한 것에만 집중할 수 있을까요?

새로운 연구에서 UC San Diego의 Marcus Benna와 Salk Institute의 Felix Taschbach를 포함한 연구원들은 연구원들이 관찰한 혼합 선택성의 형태를 확인하고 진동("뇌파"라고도 함)과 신경 조절기( 신경 기능에 영향을 미치는 세로토닌이나 도파민과 같은 화학 물질은 뉴런을 계산 앙상블로 끌어들이고, 이러한 목적에 중요한 것을 '필터링'하는 데도 도움이 됩니다.

물론 일부 뉴런은 특정 입력에 특화되어 있지만 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. 즉, 해당 뉴런의 반응은 예상대로 여러 입력의 합에 따라 달라집니다(토끼는 상추를 보고 배고픔을 느낍니다). 측정 유연성을 가장 많이 추가하는 뉴런은 "비선형 혼합 선택성"을 갖춘 뉴런으로, 이를 합산할 필요 없이 여러 독립 변수를 설명할 수 있습니다. 대신 그들은 일련의 독립적인 조건을 고려할 수 있습니다(예를 들어, 상추가 있고, 배가 고프고, 매 소리가 들리지 않고, 코요테 냄새가 나지 않지만, 상추는 멀리 떨어져 있어서 할 수 있습니다). 꽤 튼튼한 울타리를 보세요).

그렇다면 무엇이 뉴런이 중요한 요인이 얼마나 많든 상관없이 중요한 요인에 집중하도록 유도하는 것일까요? 한 가지 메커니즘은 진동인데, 이는 많은 뉴런이 동일한 리듬으로 전기적 활동을 유지할 때 뇌에서 발생합니다. 이러한 조정된 활동을 통해 정보를 공유할 수 있으며, 본질적으로 동일한 라디오 방송국을 재생하는 자동차 그룹처럼 정보를 함께 조정합니다(아마도 머리 위를 선회하는 매의 방송일 수 있음). 저자가 강조하는 또 다른 메커니즘은 신경조절제입니다. 이는 세포 내부의 수용체에 도달하면 활동에 영향을 줄 수 있는 화학 물질입니다. 예를 들어, 아세틸콜린의 급증은 특정 활동이나 정보(아마도 배고픈 느낌)에 대한 해당 수용체로 뉴런을 유사하게 준비시킬 수 있습니다.

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

혼합 선택성을 이해하는 것은 인지를 이해하는 데 매우 중요하다고 그들은 계속 말합니다.

"혼합 선택성은 어디에나 존재합니다."라고 그들은 결론지었습니다. "종 전체에 걸쳐 존재하며 고수준 인지에서 사물 인식과 같은 '자동' 감각 운동 과정에 이르기까지 다양한 기능을 수행합니다. 혼합 선택성의 광범위한 발생은 복잡한 사고와 행동에 필요한 확장 가능한 처리 능력을 뇌에 제공하는 근본적인 역할을 강조합니다." p>

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