Hjernen genbruger neurale moduler som kognitive legoklodser

Forskere fra MIT og Princeton har fundet tegn på, at hjernen ikke behøver at afsætte en særskilt gruppe neuroner til hver eneste type information. I stedet ser nogle klynger i præfrontal cortex ud til at fungere som genbrugelige moduler i arbejdshukommelsen: Den samme klynge kan fastholde et husket sanseindtryk i én situation og en plan for en kommende handling i en anden.

Hvad viste forsøgene med mus?

Musene udførte en såkaldt forsinket match-to-sample-opgave med forsinket rapport. De hørte først en høj eller lav tone, skulle huske den, sammenligne den med en ny tone og derefter fastholde beslutningen eller handlingsplanen, indtil de skulle reagere. Forskerne registrerede aktiviteten fra tusindvis af neuroner i den mediale præfrontale cortex og den bageste isselap, også kaldet posterior parietal cortex.

En beregningsmæssig klyngeanalyse pegede på genbrugelige neurale underområder – såkaldte subspaces – der var involveret i bearbejdning af sanseindtryk og i vedligeholdelse af information i arbejdshukommelsen.

Det centrale fund var, at klynger i præfrontal cortex, som fastholdt det oprindelige sanseminde under den første ventetid, senere kunne bruges til at fastholde handlingsplanen under den næste ventetid. Det peger på, at den samme beregning kan genbruges til forskelligt indhold.

Neuronklynger i den bageste isselap virkede derimod mere specialiserede. De bidrog mere konsekvent til bestemte informationstyper end til et skift mellem forskellige funktioner. Forskellen mellem fleksibel genbrug i præfrontal cortex og større specialisering i isselappen kan være en del af hjernens arbejdsdeling.

Hvorfor testede forskerne også kunstige neurale netværk?

Forskerne trænede tilbagekoblede neurale netværk – recurrent neural networks, eller RNN’er – på opgaver med tilsvarende krav. Netværkene udviklede en sammenlignelig modulær organisation, hvor funktionelle klynger kunne genbruges til forskellige beregninger. Det styrker idéen om, at arkitekturen kan være en effektiv måde at løse opgaven på og ikke blot et særpræg ved de mus, der blev undersøgt.

Hvad betyder “kognitive legoklodser”?

Metaforen beskriver en form for sammensættende tænkning: Genbrugelige dele kan kombineres og kombineres på ny for at skabe mange forskellige adfærdsmønstre ud fra en begrænset neural ressource.

En sådan organisering kan også gøre læring mere effektiv. I stedet for at lære hver ny opgave helt fra bunden kan hjernen genbruge operationer, den allerede har lært, og ændre den måde, de sættes sammen på, eller hvilket indhold de bærer.

Det giver en mulig forklaring på, hvordan hjernen hurtigt kan skifte mellem opgaver, regler, minder og planer. Samtidig kan princippet inspirere udviklingen af kunstig intelligens, hvor systemer ofte kræver omfattende gen-træning for at håndtere nært beslægtede opgaver.

Fundene viser dog ikke, at forskerne har afdækket hele mekanismen bag menneskelignende fleksibel tænkning. Evidensen fra musene er korrelativ: Aktiviteten passer med, at neuronklynger genbruges, men forsøgene viser ikke, at en bestemt klynge alene forårsager adfærden.

Næste skridt: Kan forskerne bevise en årsagssammenhæng?

Forskerne planlægger kausale forsøg, hvor identificerede klynger i præfrontal cortex selektivt forstyrres eller manipuleres på bestemte tidspunkter i opgaven. På den måde kan de teste, om en klynges bidrag faktisk skifter fra vedligeholdelse af et sanseminde til vedligeholdelse af en handlingsplan.

Den afgørende forudsigelse er, at en forstyrrelse af den samme klynge vil svække forskellige informationsfunktioner alt efter, hvornår indgrebet foretages. De tilgængelige oplysninger beskriver ikke den præcise metode eller tidsplan for forsøgene.

Hvordan blev studiet finansieret?

De foreliggende kilder dokumenterer ikke finansieringen af netop dette MIT- og Princeton-studie. En finansieringsoplysning fra Princeton – USA’s Office of the Director of National Intelligence og National Institutes of Health – vedrører et separat projekt om forbindelserne i musens hjerne og bør derfor ikke tilskrives denne undersøgelse.

Det er også værd at bemærke, at den tilgængelige PubMed-registrering beskriver arbejdet som et fortryk, der endnu ikke var fagfællebedømt af et tidsskrift på registreringstidspunktet.