Mälu kasulikkus juhatab, kuhu aju selle salvestab | Quanta ajakiri

Mälu ei esinda ühte teaduslikku mõistatust; neid on palju. Neuroteadlased ja psühholoogid on hakanud ära tundma erinevaid mälutüüpe, mis meie ajus koos eksisteerivad: episoodilised mälestused minevikukogemustest, semantilised mälestused faktidest, lühi- ja pikaajalised mälestused ja palju muud. Neil on sageli erinevad omadused ja need näivad isegi paiknevat aju erinevates osades. Kuid pole kunagi olnud selge, milline mälu omadus määrab, kuidas või miks seda sellisel viisil sorteerida.

Nüüd pakub uus teooria, mida toetavad kunstlikke närvivõrke kasutavad katsed, et aju võib mälestusi sorteerida, hinnates, kui suure tõenäosusega need tulevikus juhistena kasulikud on. Eelkõige viitab see sellele, et paljud mälestused etteaimatavatest asjadest, alates faktidest kuni kasulike korduvate kogemusteni – nagu see, mida te regulaarselt hommikusöögiks sööte või tööle minnes – salvestatakse aju neokorteksisse, kus need võivad aidata kaasa üldistustele maailma kohta. Mälestused, mis on vähem kasulikud, nagu selle ainulaadse joogi maitse, mida sel peol nautisite, hoitakse merihobukujulises mälupangas, mida nimetatakse hipokampuseks. Mälestuste aktiivne eraldamine sel viisil nende kasulikkuse ja üldistavuse alusel võib optimeerida mälestuste usaldusväärsust, et aidata meil orienteeruda uudsetes olukordades.

Uue teooria autorid on neuroteadlased Weinani päike ja James Fitzgerald Howard Hughesi meditsiiniinstituudi Janelia uurimislinnakust, Andrew Saxe University College London ja nende kolleegid - kirjeldasid seda aastal värske paber in Nature Neuroscience. See ajakohastab ja laiendab väljakujunenud ideed, et ajus on kaks omavahel seotud, üksteist täiendavat õppesüsteemi: hipokampus, mis kodeerib kiiresti uut teavet, ja neokorteks, mis integreerib selle järk-järgult pikaajaliseks säilitamiseks.

James McClellandStanfordi ülikooli kognitiivne neuroteadlane, kes oli mälus täiendavate õppimissüsteemide idee teerajaja, kuid ei osalenud uues uuringus, märkis, et see "käsitleb üldistamise aspekte", millele tema enda rühm ei olnud mõelnud, kui nad selle teooria välja pakkusid. 1990ndate keskpaik.

Teadlased on tunnistanud, et mälu kujunemine on mitmeetapiline protsess alates vähemalt 1950. aastate algusest, osaliselt nende uuringutest Henry Molaisoni-nimelise patsiendiga, keda teaduskirjanduses aastakümneid tunti ainult nime all HM, kuna ta kannatas tema hipokampusest alguse saanud kontrollimatute krampide all. , ravisid kirurgid teda, eemaldades suurema osa sellest ajustruktuurist. Hiljem tundus patsient enamikus aspektides üsna normaalne: tema sõnavara oli terve; ta säilitas oma lapsepõlvemälestused ja ta mäletas muid üksikasju oma elust enne operatsiooni. Siiski unustas ta alati, et õde tema eest hoolitseb. Tema eest hoolitsemise aastakümne jooksul pidi ta end igal hommikul uuesti tutvustama. Ta oli täielikult kaotanud võime luua uusi pikaajalisi mälestusi.

Molaisoni sümptomid aitasid teadlastel avastada, et uued mälestused tekkisid esmalt hipokampuses ja seejärel kandusid järk-järgult üle neokorteksisse. Mõnda aega arvati laialt, et see juhtus kõigi püsivate mälestustega. Kuid kui teadlased hakkasid nägema a kasvav arv Näidetest mälestustest, mis jäid pikas perspektiivis sõltuma hipokampusest, sai selgeks, et toimub midagi muud.

Selle anomaalia põhjuse mõistmiseks pöördusid uue artikli autorid tehisnärvivõrkude poole, kuna miljonite põimunud neuronite funktsioon ajus on mõõtmatult keeruline. Need võrgud on "bioloogiliste neuronite ligikaudne idealiseerimine", kuid on palju lihtsamad kui tegelik asi, ütles Saxe. Nagu elavatel neuronitel, on neil sõlmede kihid, mis võtavad vastu andmeid, töötlevad neid ja annavad seejärel kaalutud väljundid võrgu teistele kihtidele. Nii nagu neuronid mõjutavad üksteist oma sünapsi kaudu, kohandavad tehisnärvivõrkude sõlmed oma aktiivsuse taset teiste sõlmede sisendite põhjal.

Meeskond ühendas kolm erineva funktsiooniga närvivõrku, et töötada välja arvutusraamistik, mida nad nimetasid õpetaja-märkmiku-õpilase mudeliks. Õpetajate võrgustik esindas keskkonda, kuhu organism võib sattuda; see andis kogemusi. Märkmikuvõrk esindas hipokampust, kodeerides kiiresti kõik õpetaja antud kogemuse üksikasjad. Õpilaste võrgustik koolitas neid mustreid õpetajalt, uurides vihikusse jäänut. "Õpilaste mudeli eesmärk on leida neuroneid - sõlmed - ja õppida ühendusi [kirjeldades], kuidas nad saaksid oma tegevusmustrit taastada, " ütles Fitzgerald.

Mälestuste korduvad taasesitused märkmikuvõrgust kaasasid õpilaste võrgustiku veaparanduse kaudu üldisele mustrile. Kuid teadlased märkasid ka erandit reeglist: kui õpilast treeniti liiga palju ettearvamatuid mälestusi - mürasignaale, mis kaldusid liiga palju ülejäänutest kõrvale -, halvendas see õpilase võimet õppida üldist mustrit.

Loogilisest vaatenurgast on "sellel palju mõtet," ütles Sun. Kujutage ette, et saate oma kodus pakke, selgitas ta: kui pakis on midagi tuleviku jaoks kasulikku, "näiteks kohvikruusid ja nõud", on mõistlik see koju tuua ja seal püsivalt hoida. Kui aga pakis on Halloweeni peoks mõeldud Ämblikmehe kostüüm või müügil olev brošüür, pole vaja sellega maja risustada. Neid esemeid saab hoiustada eraldi või ära visata.

Uuring pakub huvitavat lähenemist tehisintellektis kasutatavate süsteemide ja aju modelleerimisel kasutatavate süsteemide vahel. See on näide, kus "nende tehissüsteemide teooria andis mõned uued kontseptuaalsed ideed, et mõelda mälestustele ajus," ütles Saxe.

Näiteks on paralleele sellega, kuidas arvutipõhised näotuvastussüsteemid töötavad. Alustuseks võivad nad paluda kasutajatel üles laadida endast erinevate nurkade alt kõrglahutusega pilte. Närvivõrgus olevad ühendused võivad kokku panna üldise ettekujutuse sellest, kuidas nägu näeb välja erinevate nurkade ja erinevate ilmetega. Kuid kui laadite üles foto, millel on teie sõbra nägu, ei suuda süsteem nende kahe vahel ennustatavat näokaarti tuvastada, ütles Fitzgerald. See kahjustab üldistust ja muudab süsteemi normaalse näo äratundmisel vähem täpseks.

Need pildid aktiveerivad konkreetsed sisendneuronid ja aktiivsus voolab seejärel läbi võrgu, kohandades ühenduse kaalu. Rohkemate piltide korral kohandab mudel sõlmede vahelisi ühenduse kaalu veelgi, et minimeerida väljundvigu.

Kuid see, et kogemus on ebatavaline ja ei sobi üldistusse, ei tähenda, et see tuleks kõrvale heita ja unustada. Vastupidi, erakordsete kogemuste meelespidamine võib olla ülimalt oluline. Tundub, et see on põhjus, miks aju sorteerib oma mälestused erinevatesse kategooriatesse, mida hoitakse eraldi, kusjuures neokorteksi kasutatakse usaldusväärsete üldistuste tegemiseks ja hipokampust eranditeks.

Sellised uuringud tõstavad teadlikkust "inimmälu ekslikkusest", ütles McClelland. Mälu on piiratud ressurss ja bioloogia on pidanud tegema kompromisse, et kasutada piiratud ressursse parimal viisil. Isegi hipokampus ei sisalda täiuslikku salvestust kogemustest. Iga kord, kui kogemus meelde tuletatakse, muutuvad võrgu ühenduse kaalud, mistõttu mäluelemendid muutuvad keskmisemaks. See tõstatab küsimusi selle kohta, millistel asjaoludel "saaks pealtnägijate ütlusi kaitsta eelarvamuste ja korduvate päringute mõju eest", ütles ta.

Mudel võib pakkuda ka põhjalikumaid küsimusi. "Kuidas koguda usaldusväärseid teadmisi ja teha teadlikke otsuseid?" ütles James Antony, California polütehnilise osariigi ülikooli neuroteadlane, kes ei osalenud uuringus. See näitab mälestuste hindamise olulisust usaldusväärsete prognooside tegemiseks – paljud mürarikkad andmed või ebausaldusväärne teave võivad olla inimeste koolitamiseks sama sobimatud kui AI mudelite treenimiseks.