Aivojen ”kognitiiviset legot” tekevät ajattelusta joustavaa

MIT:n ja Princetonin tutkijat ovat löytäneet hiiristä viitteitä siitä, ettei aivojen tarvitse varata jokaista tietotyyppiä varten omaa, erillistä hermosoluryhmää. Osa etuotsalohkon hermosoluryhmistä näyttää toimivan uudelleenkäytettävinä työmuistin moduuleina: sama ryhmä voi ylläpitää joko muistettua aistiärsykettä tai tulevaa toimintasuunnitelmaa.

Mitä hiirikoe osoitti?

Hiiret suorittivat viivästetyn vertailu- ja vastaustehtävän. Niille esitettiin korkea tai matala ääni, jonka ne joutuivat muistamaan. Sen jälkeen ne vertasivat ensimmäistä ääntä toiseen, tekivät päätöksen ja säilyttivät vielä toimintasuunnitelman siihen asti, kunnes vastasivat. Tutkijat rekisteröivät tuhansien hermosolujen toimintaa etuotsalohkon mediaaliselta alueelta sekä takaisesta päälaenlohkosta.

Laskennallinen ryhmittely paljasti hermoston toiminnasta erillisiä, mutta uudelleen hyödynnettäviä tiloja eli niin sanottuja aliavaruuksia. Niissä hermosoluryhmät osallistuivat ärsykkeen käsittelyyn ja muistisisällön ylläpitämiseen.

Etuotsalohkossa ryhmät, jotka ylläpitivät ensimmäisen viiveen aikana äänestä muodostettua muistikuvaa, voitiin myöhemmin liittää toimintasuunnitelman ylläpitämiseen. Tämä sopii ajatukseen, että sama hermoverkon laskennallinen rakenne voi käsitellä eri sisältöjä eri tilanteissa.

Päälaenlohkon ryhmät olivat puolestaan selvästi erikoistuneempia. Ne osallistuivat johdonmukaisemmin tiettyjen tietotyyppien käsittelyyn eivätkä näyttäneet vaihtavan roolia samalla tavalla. Tutkijoiden tulkinnassa tämä ero kuvaa aivoalueiden mahdollista työnjakoa: etuotsalohko hyödyntää joustavasti uudelleenkäytettäviä moduuleja, kun taas päälaenlohkon toiminta on tehtäväkohtaisempaa.

Sama rakenne syntyi myös tekoälymallissa

Tutkijat kouluttivat vastaavaa tehtävää suorittavia toistuvia neuroverkkoja. Ne kehittivät samankaltaisen, uudelleenkäytettäviin moduuleihin perustuvan rakenteen. Tämä tukee ajatusta, että järjestely voi olla laskennallisesti hyödyllinen ratkaisu eikä vain sattumanvarainen piirre tutkituissa hiirissä.

Toistuva neuroverkko on tekoälymalli, jonka toiminnassa aiemmat tilat vaikuttavat myöhempiin laskentavaiheisiin. Se sopii siksi tehtäviin, joissa tietoa pitää säilyttää ja päivittää ajan kuluessa.

Miksi puhe ”kognitiivisista legoista” on kiinnostavaa?

Ajatus muistuttaa rakennuspalikoita: rajallinen määrä opittuja osia voidaan yhdistää ja järjestää uudelleen monenlaista toimintaa varten. Aivot eivät tällöin opettele jokaista uutta tehtävää täysin alusta, vaan voivat hyödyntää jo opittuja laskennallisia toimintoja ja vaihtaa niiden yhdistelmää tai sisältöä.

Tällainen arkkitehtuuri voi auttaa selittämään, miten aivot vaihtavat nopeasti tehtävästä, säännöstä, muistosta tai suunnitelmasta toiseen. Se tarjoaa myös mahdollisen suunnittelumallin tekoälylle, joka tarvitsee usein laajaa uudelleenkoulutusta oppiessaan uusia, aiempiin liittyviä tehtäviä.

Löydös ei kuitenkaan vielä todista täydellistä mekanismia ihmisen kaltaiselle joustavalle ajattelulle. Hiiristä saadut tulokset ovat korrelatiivisia: ne osoittavat toimintamalleja, jotka sopivat hermosoluryhmien uudelleenkäyttöön, mutta eivät sitä, että jokin tietty ryhmä yksin aiheuttaisi käyttäytymisen.

Seuraavaksi tutkijat haluavat testata syy-yhteyttä

Tutkijat suunnittelevat kokeita, joissa tunnistettuja etuotsalohkon hermosoluryhmiä häiritään tai muokataan valikoivasti tehtävän eri vaiheissa. Näin voidaan testata, vaihtaako sama ryhmä todella tehtäväänsä aistimuiston ylläpidosta toimintasuunnitelman ylläpitoon.

Keskeinen ennuste on, että saman hermosoluryhmän häiritseminen vaikuttaisi eri tietotoimintoon sen mukaan, missä vaiheessa tehtävää häirintä tehdään. Käytettävissä olevat lähteet eivät kuitenkaan kerro riittävästi intervention tarkasta menetelmästä tai aikataulusta.

Miten tutkimus rahoitettiin?

Toimitetuista lähteistä ei käy ilmi tämän nimenomaisen MIT:n ja Princetonin tutkimuksen rahoitus. Princetonin sivulla mainittu Yhdysvaltain tiedusteluyhteisön johtajan toimisto sekä National Institutes of Health liittyvät erilliseen hiirten aivoyhteyksiä kartoittaneeseen hankkeeseen, eikä rahoitusta pidä yhdistää tähän tutkimukseen.