Η χρησιμότητα μιας μνήμης καθοδηγεί πού τη σώζει ο εγκέφαλος | Περιοδικό Quanta

Η μνήμη δεν αντιπροσωπεύει ένα μόνο επιστημονικό μυστήριο. είναι πολλοί από αυτούς. Οι νευροεπιστήμονες και οι ψυχολόγοι έχουν καταλήξει να αναγνωρίζουν διάφορους τύπους μνήμης που συνυπάρχουν στον εγκέφαλό μας: επεισοδιακές αναμνήσεις προηγούμενων εμπειριών, σημασιολογικές αναμνήσεις γεγονότων, βραχυπρόθεσμες και μακροπρόθεσμες αναμνήσεις και πολλά άλλα. Αυτά έχουν συχνά διαφορετικά χαρακτηριστικά και μάλιστα φαίνεται να εντοπίζονται σε διαφορετικά μέρη του εγκεφάλου. Αλλά δεν ήταν ποτέ ξεκάθαρο ποιο χαρακτηριστικό μιας μνήμης καθορίζει πώς ή γιατί πρέπει να ταξινομηθεί με αυτόν τον τρόπο.

Τώρα, μια νέα θεωρία που υποστηρίζεται από πειράματα που χρησιμοποιούν τεχνητά νευρωνικά δίκτυα προτείνει ότι ο εγκέφαλος μπορεί να ταξινομεί τις αναμνήσεις αξιολογώντας πόσο πιθανό είναι να είναι χρήσιμες ως οδηγοί στο μέλλον. Συγκεκριμένα, υποδηλώνει ότι πολλές αναμνήσεις προβλέψιμων πραγμάτων, που κυμαίνονται από γεγονότα έως χρήσιμες επαναλαμβανόμενες εμπειρίες - όπως το τι τρώτε τακτικά για πρωινό ή το περπάτημα στη δουλειά σας - αποθηκεύονται στον νεοφλοιό του εγκεφάλου, όπου μπορούν να συμβάλουν σε γενικεύσεις για τον κόσμο. Οι αναμνήσεις που είναι λιγότερο πιθανό να είναι χρήσιμες - όπως η γεύση αυτού του μοναδικού ποτού που ήπιες σε εκείνο το πάρτι - φυλάσσονται στην τράπεζα μνήμης σε σχήμα ιππόκαμπου που ονομάζεται ιππόκαμπος. Ο ενεργός διαχωρισμός των αναμνήσεων με αυτόν τον τρόπο με βάση τη χρησιμότητα και τη γενίκευσή τους μπορεί να βελτιστοποιήσει την αξιοπιστία των αναμνήσεων για να μας βοηθήσει να πλοηγηθούμε σε νέες καταστάσεις.

Οι συγγραφείς της νέας θεωρίας - οι νευροεπιστήμονες Weinan Sun και Τζέιμς Φιτζέραλντ της ερευνητικής πανεπιστημιούπολης Janelia του Ιατρικού Ινστιτούτου Howard Hughes, Andrew Saxe του University College του Λονδίνου και των συναδέλφων τους — το περιέγραψαν στο ένα πρόσφατο άρθρο in Nature Neuroscience. Ενημερώνει και επεκτείνει την καθιερωμένη ιδέα ότι ο εγκέφαλος έχει δύο συνδεδεμένα, συμπληρωματικά συστήματα μάθησης: τον ιππόκαμπο, ο οποίος κωδικοποιεί γρήγορα νέες πληροφορίες και τον νεοφλοιό, ο οποίος σταδιακά τον ενσωματώνει για μακροπρόθεσμη αποθήκευση.

Τζέιμς ΜακΚλέλαντ, ένας γνωστικός νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ που πρωτοστάτησε στην ιδέα των συμπληρωματικών συστημάτων μάθησης στη μνήμη, αλλά δεν ήταν μέρος της νέας μελέτης, παρατήρησε ότι «ασχολείται με πτυχές γενίκευσης» που η δική του ομάδα δεν είχε σκεφτεί όταν πρότεινε τη θεωρία στο μέσα της δεκαετίας του 1990.

Οι επιστήμονες έχουν αναγνωρίσει ότι ο σχηματισμός μνήμης είναι μια διαδικασία πολλαπλών σταδίων τουλάχιστον από τις αρχές της δεκαετίας του 1950, εν μέρει από τις μελέτες τους σε έναν ασθενή ονόματι Henry Molaison — γνωστός για δεκαετίες στην επιστημονική βιβλιογραφία μόνο ως HM Επειδή υπέφερε από ανεξέλεγκτες κρίσεις που προήλθαν από τον ιππόκαμπό του. , οι χειρουργοί τον αντιμετώπισαν αφαιρώντας το μεγαλύτερο μέρος αυτής της δομής του εγκεφάλου. Στη συνέχεια, ο ασθενής φαινόταν αρκετά φυσιολογικός από τις περισσότερες απόψεις: το λεξιλόγιό του ήταν άθικτο. Διατήρησε τις παιδικές του αναμνήσεις και θυμήθηκε άλλες λεπτομέρειες της ζωής του πριν από το χειρουργείο. Ωστόσο, πάντα ξεχνούσε τη νοσοκόμα που τον φρόντιζε. Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας που τον φρόντιζε, έπρεπε να συστήνεται εκ νέου κάθε πρωί. Είχε χάσει εντελώς την ικανότητα να δημιουργεί νέες μακροχρόνιες αναμνήσεις.

Τα συμπτώματα του Molaison βοήθησαν τους επιστήμονες να ανακαλύψουν ότι νέες μνήμες σχηματίστηκαν αρχικά στον ιππόκαμπο και στη συνέχεια μεταφέρθηκαν σταδιακά στον νεοφλοιό. Για λίγο, θεωρήθηκε ευρέως ότι αυτό συνέβη για όλες τις επίμονες αναμνήσεις. Ωστόσο, μόλις οι ερευνητές άρχισαν να βλέπουν α αυξανόμενος αριθμός από παραδείγματα αναμνήσεων που παρέμειναν μακροπρόθεσμα εξαρτημένα από τον ιππόκαμπο, έγινε σαφές ότι κάτι άλλο συνέβαινε.

Για να κατανοήσουν τον λόγο πίσω από αυτήν την ανωμαλία, οι συγγραφείς της νέας εργασίας στράφηκαν στα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα, καθώς η λειτουργία εκατομμυρίων διαπλεκόμενων νευρώνων στον εγκέφαλο είναι αφάνταστα περίπλοκη. Αυτά τα δίκτυα είναι «μια κατά προσέγγιση εξιδανίκευση των βιολογικών νευρώνων», αλλά είναι πολύ πιο απλά από τα πραγματικά, είπε ο Saxe. Όπως οι ζωντανοί νευρώνες, έχουν στρώματα κόμβων που λαμβάνουν δεδομένα, τα επεξεργάζονται και στη συνέχεια παρέχουν σταθμισμένες εξόδους σε άλλα επίπεδα του δικτύου. Ακριβώς όπως οι νευρώνες επηρεάζουν ο ένας τον άλλον μέσω των συνάψεών τους, οι κόμβοι στα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα προσαρμόζουν τα επίπεδα δραστηριότητάς τους με βάση τις εισόδους από άλλους κόμβους.

Η ομάδα συνέδεσε τρία νευρωνικά δίκτυα με διαφορετικές λειτουργίες για να αναπτύξει ένα υπολογιστικό πλαίσιο που ονόμασαν μοντέλο δάσκαλος-σημειωματάριο-μαθητής. Το δίκτυο δασκάλων αντιπροσώπευε το περιβάλλον στο οποίο μπορεί να βρεθεί ένας οργανισμός. παρείχε εισροές εμπειρίας. Το δίκτυο σημειωματάριων αντιπροσώπευε τον ιππόκαμπο, κωδικοποιώντας γρήγορα όλες τις λεπτομέρειες κάθε εμπειρίας που παρείχε ο δάσκαλος. Το δίκτυο των μαθητών εκπαιδεύτηκε στα μοτίβα από τον δάσκαλο, συμβουλεύοντας αυτά που καταγράφηκαν στο τετράδιο. «Ο στόχος του μαθητικού μοντέλου είναι να βρει νευρώνες - κόμβους - και να μάθει συνδέσεις [περιγράφοντας] πώς θα μπορούσαν να αναγεννήσουν το πρότυπο της δραστηριότητάς τους», είπε ο Fitzgerald.

Οι επαναλαμβανόμενες επαναλήψεις των αναμνήσεων από το δίκτυο των σημειωματάριων συμπαρασύρουν το δίκτυο των μαθητών σε ένα γενικό μοτίβο μέσω διόρθωσης σφαλμάτων. Αλλά οι ερευνητές παρατήρησαν επίσης μια εξαίρεση στον κανόνα: Εάν ο μαθητής εκπαιδεύτηκε σε πάρα πολλές απρόβλεπτες αναμνήσεις - θορυβώδη σήματα που παρέκκλιναν πάρα πολύ από τα υπόλοιπα - υποβάθμισε την ικανότητα του μαθητή να μάθει το γενικευμένο μοτίβο.

Από λογική άποψη, «αυτό είναι πολύ λογικό», είπε ο Sun. Φανταστείτε να λαμβάνετε πακέτα στο σπίτι σας, εξήγησε: Εάν η συσκευασία περιέχει κάτι χρήσιμο για το μέλλον, «όπως κούπες καφέ και πιάτα», ακούγεται λογικό να το φέρετε στο σπίτι σας και να το κρατήσετε μόνιμα εκεί. Αλλά αν η συσκευασία περιέχει μια στολή Spider-Man για ένα αποκριάτικο πάρτι ή ένα φυλλάδιο για πώληση, δεν χρειάζεται να γεμίσετε το σπίτι με αυτό. Αυτά τα αντικείμενα μπορούν να αποθηκευτούν χωριστά ή να πεταχτούν.

Η μελέτη παρέχει μια ενδιαφέρουσα σύγκλιση μεταξύ των συστημάτων που χρησιμοποιούνται στην τεχνητή νοημοσύνη και εκείνων που χρησιμοποιούνται στη μοντελοποίηση του εγκεφάλου. Αυτή είναι μια περίπτωση όπου «η θεωρία αυτών των τεχνητών συστημάτων έδωσε μερικές νέες εννοιολογικές ιδέες για να σκεφτούμε τις αναμνήσεις στον εγκέφαλο», είπε ο Saxe.

Υπάρχουν παραλληλισμοί, για παράδειγμα, με το πώς λειτουργούν τα ηλεκτρονικά συστήματα αναγνώρισης προσώπου. Μπορεί να ξεκινήσουν προτρέποντας τους χρήστες να ανεβάσουν εικόνες υψηλής ευκρίνειας από διαφορετικές οπτικές γωνίες. Οι συνδέσεις μέσα στο νευρωνικό δίκτυο μπορούν να συνθέσουν μια γενική αντίληψη για το πώς φαίνεται το πρόσωπο από διαφορετικές γωνίες και με διαφορετικές εκφράσεις. Αλλά αν τύχει να ανεβάσετε μια φωτογραφία «που περιέχει το πρόσωπο του φίλου σας, τότε το σύστημα δεν είναι σε θέση να αναγνωρίσει μια προβλέψιμη χαρτογράφηση προσώπου μεταξύ των δύο», είπε ο Fitzgerald. Βλάπτει τη γενίκευση και κάνει το σύστημα λιγότερο ακριβές στην αναγνώριση του κανονικού προσώπου.

Αυτές οι εικόνες ενεργοποιούν συγκεκριμένους νευρώνες εισόδου και στη συνέχεια η δραστηριότητα ρέει μέσω του δικτύου, προσαρμόζοντας τα βάρη σύνδεσης. Με περισσότερες εικόνες, το μοντέλο προσαρμόζει περαιτέρω τα βάρη σύνδεσης μεταξύ των κόμβων για να ελαχιστοποιήσει τα σφάλματα εξόδου.

Αλλά επειδή μια εμπειρία είναι ασυνήθιστη και δεν ταιριάζει σε μια γενίκευση, αυτό δεν σημαίνει ότι πρέπει να απορριφθεί και να ξεχαστεί. Αντίθετα, μπορεί να είναι ζωτικής σημασίας να θυμόμαστε εξαιρετικές εμπειρίες. Αυτός φαίνεται να είναι ο λόγος που ο εγκέφαλος ταξινομεί τις αναμνήσεις του σε διαφορετικές κατηγορίες που αποθηκεύονται χωριστά, με τον νεοφλοιό να χρησιμοποιείται για αξιόπιστες γενικεύσεις και τον ιππόκαμπο για εξαιρέσεις.

Αυτό το είδος της έρευνας αυξάνει την ευαισθητοποίηση σχετικά με το «αλάθητο της ανθρώπινης μνήμης», είπε ο McClelland. Η μνήμη είναι ένας πεπερασμένος πόρος και η βιολογία έπρεπε να συμβιβαστεί για να κάνει την καλύτερη χρήση των περιορισμένων πόρων. Ακόμη και ο ιππόκαμπος δεν περιέχει τέλεια καταγραφή εμπειριών. Κάθε φορά που ανακαλείται μια εμπειρία, υπάρχουν αλλαγές στα βάρη σύνδεσης του δικτύου, με αποτέλεσμα τα στοιχεία μνήμης να παίρνουν μεγαλύτερο μέσο όρο. Εγείρει ερωτήματα σχετικά με τις συνθήκες υπό τις οποίες «η μαρτυρία αυτόπτων μαρτύρων [θα μπορούσε] να προστατευθεί από μεροληψία και επιρροή από επαναλαμβανόμενες επιθέσεις ερωτημάτων», είπε.

Το μοντέλο μπορεί επίσης να προσφέρει πληροφορίες για πιο θεμελιώδη ερωτήματα. «Πώς χτίζουμε αξιόπιστη γνώση και παίρνουμε τεκμηριωμένες αποφάσεις;» είπε Τζέιμς Άντονι, νευροεπιστήμονας στο Πολιτειακό Πολυτεχνείο της Καλιφόρνια που δεν συμμετείχε στη μελέτη. Δείχνει τη σημασία της αξιολόγησης των αναμνήσεων για την πραγματοποίηση αξιόπιστων προβλέψεων — πολλά θορυβώδη δεδομένα ή αναξιόπιστες πληροφορίες μπορεί να είναι τόσο ακατάλληλα για την εκπαίδευση ανθρώπων όσο και για την εκπαίδευση μοντέλων τεχνητής νοημοσύνης.