Noha az agyműködést egészében még korántsem értjük, az idegtudományban általánosnak mondható a sherringtoni nézet, miszerint a kogníció az idegsejtek kapcsolatrendszere által magyarázható. Az utóbbi időben azonban egyre több kétely merült fel a sherringtoni elképzeléssel kapcsolatban és egyes szakértők úgy vélik, ezeket a problémákat egy másik megközelítés, a hopfieldi nézet küszöbölheti ki. A hopfieldi nézet az idegsejtek csoportjainak aktivitása révén kialakuló ún. neurális terek révén magyarázná a kogníciót. A két nézet eredetét a múlt heti számban tekintettük át, ezúttal pedig arra fókuszálunk, hogyan magyarázhatják a kogníciót.
A kogníciót sokan sokféleképpen definiálják. A legprecízebb definíció szerint a kogníció az agyban lévő reprezentációkon végzett komputációk összessége, mely az adaptív viselkedést szolgálja. A klasszikus idegtudományi megközelítés szerint a reprezentációk valaminek a leképezései, egy külső létező idegrendszeri megfelelői. Egy kép reprezentációja például egy számítógép esetében egyesek és nullák sora, az idegrendszer esetében pedig aktív idegsejtek csoportja. Ahogy az aktivitás sejtről sejtre halad az idegrendszer szövedékében, átalakul. Ezek az átalakulások a komputációk, a számítások, melyek lehetővé teszik, hogy a képen lévő alakokat felismerjük például.
Képzeljük el, hogy a belső fül szőrsejtjeit megrezegteti egy hanghullám. A sejtekben keletkezett jel továbbhalad a hallópálya részein, ahol különféle átalakulásokon megy keresztül, míg elvileg a hallókéregben zajló komputációk eredményeképp már tudatában leszünk annak, hogy egy vészjósló morgást hallottunk. Az agyban zajló további számításoknak köszönhetően hamarosan menekülőre fogjuk. Erre utal tehát, a definíció, miszerint a kogníció az adaptív viselkedést szolgálja és az agyi reprezentációkon végzett komputációk összességének tekinthető.
A sherringtoni nézet zsákutcái
A klasszikus, sherringtoni megközelítés szerint a kogníció alapjául szolgáló reprezentációkat egyedi idegsejtek hozzák létre, a komputációk pedig az idegsejtek kapcsolatai révén valósulnak meg. David L. Barack és John W. Krakauer szerint azonban itt az ideje alaposan átgondolni, hogy mit tehet hozzá az idegtudomány további fejlődéséhez egy másik megközelítés, a hopfieldi nézet.
Annál is inkább szükség van erre, mert a sherringtoni nézet számos kérdés kapcsán zátonyra futott az idők során. Az egyik problémát már a múlt héten is említettük: a sherringtoni nézeten alapuló mesterséges neurális hálóknak beletörik a foga az egyik alapvető logikai műveletbe (kizáró vagy – XOR). Pontosabban ahhoz, hogy a kizáró vagy műveletet elvégezzék, specializált hálózati elemek szükségesek. Ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy minden lehetséges fogalompár esetére külön hálózati elemekre van szükség a kizáró vagy művelet elvégzéséhez. Az adott hálózat által kezelt összes fogalom összes lehetséges párosítása így külön kizáró vagy egységeket igényelne, ami a fogalmak számának növekedésével hamar valószerűtlen méretű hálózatokat eredményez.
Egy másik problémaforrás az, hogy a reprezentációk a sherringtoni nézet szerint a hálózat csomópontjainak, vagyis az agyi idegsejteknek tulajdoníthatók. Barack és Krakauer szerint ezzel két probléma van. Először is, így minden egyes reprezentáció, amely egy adott cselekvést vált ki, saját egységeket igényel. Például a futást kiválthatja egy veszélyforrás is, de a pillanatokon belül induló villamos is, vagy akár az a terv is, hogy ezen túl egészségesebb életmódot folytatunk. Ez a probléma szintén a valószerűtlen méretű hálózatok irányába mutat. Alternatívaként elképzelhető, hogy egy adott idegsejt egy bizonyos tüzelési frekvenciatartományban egy bizonyos dolgot reprezentál, míg egy másikban egy másikat. Ezzel csökkenne a hálózatok mérete, de valószerűtlen rugalmasságot igényelne a hálózattól. Hogyan várható el, hogy hasonló kimeneteket produkáljon egy sejt akár nagyon különböző tüzelési frekvenciák mellett is?
Végül a bonyolult jelentések reprezentálása is problematikus a sherringtoni nézetben. Ha az olyan állításokat, mint hogy „a hó fehér” egyetlen idegsejt reprezentálja, az szintén lehetetlen méretű hálózatokat igényelne, hiszen végtelen sok hasonló állítást képes létrehozni az emberi elme. A másik lehetőség az, hogy egy ilyen állítás minden elemét egy külön idegsejt képezi le. Ezzel azonban az a gond, hogy számtalan olyan állítás létezik, melyek többletjelentéssel bírnak. Hol képeződnek le ezek a jelentések?
A sherringtoni nézet és a nagymama sejtek
A sherringtoni nézet problémáinak felismerése egyébként nem új, hiszen már a 60-as években felvetődött, hogy meglehetősen valószínűtlen implikációi vannak. A sherringtoni nézet logikusan azt feltételezi, hogy az olyan bonyolult koncepciók, mint például a nagymama, egyetlen sejt által reprezentálódnak az emberi agyban, ez lenne a nagymama sejt. Ez az elképzelés azóta is vitatott, de a legtöbb idegtudós nem tartja valószínűnek, hogy ilyen sejtek léteznének. Az alternatíva: egy-egy reprezentáció több sejt közreműködésével jön létre, ezt a ritkás kódolás elvének nevezik (sparse coding). A sherringtoni és a hopfieldi nézetek szembeállásában azonban a hangsúly inkább azon a problémán van, hogy a sejtek által létrehozott hálózatok jellemzői alapján nem lehet megmagyarázni a kognícióhoz szükséges komputációkat, hanem a sejtcsoportok működésében megfigyelhető magasabb rendű szabályszerűségek lesznek alkalmasak erre.
A hopfieldi nézet ereje
A hopfieldi nézet elkerüli azokat a problémákat, amik kikezdték a sherringtoni megközelítést. A hopfieldi nézet szerint a reprezentációk egy neuroncsoport összesített aktivitásában keresendők. A neuronok aktivitását többdimenziós terek (neurális terek) segítségével ábrázolhatjuk, melyekben a dimenziók a sejtpopuláció aktivitását legjobban leíró komponensek (pl. egy kisebb sejtcsoport aktivitása általában együttjár, viszonylag jól leírható egy változóval, ebből lehet egy komponens). Ezekben a neurális terekben a sejtek pillanatnyi aktivitása egy pontot foglal el, és a pont elhelyezkedése a neurális téren belül egy adott reprezentációért lehet felelős. Így mondjuk a nagymama reprezentációja lehet egy neurális tér egy területe, amelyet a halántéklebeny egy adott sejtpopulációja hoz létre. Ebbe a térrészbe sokféleképp kerülhet a populáció teljes aktivitása, így elméletileg nem akadály például, hogy a nagymamát számtalan különböző szögből látva is felismerheti az ember. A neuronok populációi óriási kiterjedésű neurális teret hozhatnak létre, így az általuk létrehozott reprezentációk végtelenül sokfélék lehetnek.
A terekben kialakuló aktivitás jellegzetes útvonalakon jut egyik állapotból a másikba és a bejárt útvonalak már maguk a komputációk. Egy neurális tér a rá jellemző módon változtatja állapotát az időben, így rá jellemző átalakításokat végez az általa létrehozott reprezentációkon. Például a mozgás szabályozása esetében a kéz helyzetének és a célnak megfelelő utat jár be az aktivitás a neurális térben, amely egy adott mozdulatot eredményez. Ha egy kicsit más szögben áll a kéz, vagy arrébb helyezkedik el a cél, akkor nem szükséges egy új neurális tér az új mozdulathoz, hanem csak egy kicsit kell megváltoztatni a neurális térben bejárt útvonalat.
Sherrington vagy Hopfield?
Barack és Krakauer mindezek alapján úgy véli, hogy a hopfieldi nézet a sherringtoni helyébe léphet. A hopfieldi nézet magába tudja olvasztani a sherringtoni magyarázatokat: a sejtek lehetnek szelektívek egy-egy ingerre (pl. mozgásirány a látókéregben), de ez voltaképpen csak a neurális tér aktivitásához való hozzájárulás, önmagában nem magyarázza a kognitív folyamatot, amelyben szerepe van. Az is elképzelhető, hogy a két nézet egymás mellett is megfér. Talán az alacsonyabb rendű agyterületek a sherringtoni nézetnek megfelelően működnek, és csak a magasabb rendű folyamatokért felelős területek működésének megértéséhez szükséges a hopfieldi megközelítésre hagyatkozni. Bárhogy legyen is, ez egy újabb érdekes felvonása az agykutatás egy régi kérdésének: a molekulák szintjére redukálva érthetjük meg az agyműködést, vagy felfedezésre vár egy köztes szerveződési szint, ami csak a komplikált idegrendszerekre jellemző?
Ez a cikkem az Élet és Tudomány 2021/22. számában, az Agyi aktualitások rovatban jelent meg.
