Werden die Informationen im Gehirn in den Verbindungen und nicht in Neuronen gespeichert?

Werden die Informationen im Gehirn eher in den Verbindungen als in den Neuronen gespeichert?

Es kommt darauf an, auf welche Angaben Sie sich beziehen.

Das Gehirn speichert nicht nur eine Art von Informationen, das Modell einer Großmutterzelle und das Modell eines miteinander verbundenen Neuronennetzwerks sind zwei Subsysteme eines größeren Systems, die vielleicht in einer konkurrierenden oder komplementären Anordnung zusammenarbeiten. Der Zweck dieses Systems besteht darin, Informationen aus der Umgebung zu extrahieren und zum Nutzen der Organismen wieder zu identifizieren. ^1.

Nehmen wir also an, wir sehen etwas, von dem wir in Zukunft profitieren werden oder das wir vielleicht vermeiden möchten. Dies ist eine Vereinfachung, aber wie Sie sehen, leuchten Neuronen in Ihrem Neokortex speziell in Region V1 im Hinterkopf auf, sie kommen dort nach vielen Berechnungen auf dem Weg von Ihrer Netzhaut an, projizieren aber auch auf andere Teile Ihres Gehirns, wo sie vielleicht bewusst verarbeitet werden, sie feuern in geordneter Weise, in einer Karte, dieses Herumspringen elektrischer Signale repräsentiert Ihre bewusste und unbewusste Verarbeitung des Bildes, sodass die Informationen als ein Netzwerk elektrischer Signale existieren. ^2.

Während der Erinnerung (es gibt verschiedene Arten von Erinnerungen, so dass die verantwortliche Struktur der Neokortex, die Basalganglien, der Hippocampus oder sogar ein Muskel sein könnte) ^3. wird dieselbe Karte (oder eine kleinere Teilmenge) wiederholt. Die Mechanismen, durch die diese Informationen zunächst verschlüsselt und später abgerufen werden, sind noch nicht vollständig verstanden, aber es handelt sich um eine Karte und einen Fluchtweg oder eine Schalttafel. ^4. Diese Schalttafel verbindet verschiedene Wahrnehmungen (ein kleineres Netzwerk elektrischer Signale), sodass die Informationen gewissermaßen auf der Schalttafelebene dargestellt werden. Wenn Sie diese Schalttafel deaktivieren, können Sie keine neuen Erinnerungen erstellen oder vorherige verlieren.

Eine Großmutterzelle im Schema dessen, was ich gerade erklärt habe, ist das Ergebnis eines anderen Subsystems, das hilft, etwas zu erkennen. Sobald Sie eine Wahrnehmung erfolgreich codiert haben (Ding, an das wir uns erinnern möchten), möchten Sie es vielleicht mit etwas assoziieren (gut, schlecht, lecker usw.). An der Spitze einer Reihe von Assoziationen liegt eine Großmutterzelle, die wiederum eine ist praktischer evolutionärer Weg, um an andere Systeme zurückzumelden, wenn einige frühere Informationen erfahren wurden. Auf diese Weise liegt hier also die Information, ob eine Teilmenge von Beziehungen zwischen Netzwerken elektrischer Signale erlebt und kodiert wurde.

Referenzen/Quellen:

1. Die Idee von Großmutterzellen und Objekterkennung im Allgemeinen ist im Kapitel Objekterkennung von (Cognitive Neuroscience, Gazzinga-3rd ed 222-225) zusammengefasst, zusammen mit den Problemen, die eine Großmutterzelle bei der Objekterkennung einführt (d.h. wenn Sie die Großmutterzelle verlieren, werden Sie würde alle Informationen über Ihre Großmutter verlieren)

2. Die Kapitel von Koch (Quest for Consciousness-2004) über das Sehen bieten einen sehr lesbaren Bericht darüber, wie die Informationen von der Netzhaut zu v1 gelangen. Vision Science (Palmer) ist eine gründlichere Darstellung.

3. Das Kapitel Lernen und Gedächtnis (Cognitive Neuroscience) gibt einen Überblick.

4. (Gluck -2001-Gateway to Memory) stellt verschiedene Modelle dieser Anordnung vor.

Die Physiologie des Gedächtnisses ist immer noch kaum verstanden, aber es gibt einige Verallgemeinerungen, mit denen wir arbeiten können:

Es gibt vier "Typen" des Gedächtnisses, mit denen das menschliche Gehirn arbeitet.

Das sensorische Gedächtnis ist sehr kurzfristig (Millisekunden), kann nicht bewusst abgerufen werden (es wird von den sensorischen Verarbeitungszentren des Gehirns verwendet, um beispielsweise sich bewegende Objekte zu verfolgen) und wird im Aktivierungszustand von Neuronen gespeichert (dh welche Neuronen feuern ) . zu jeder Zeit).

Das Arbeitsgedächtnis ist kurzfristig (es dauert bis zu 30 Minuten) und speichert, „woran Sie gerade denken“. Wie genau das funktioniert, ist noch nicht vollständig verstanden. Wir wissen jedoch, dass Medikamente, die den Neuronenzustand unterbrechen, das Arbeitsgedächtnis bis zu einem gewissen Grad "löschen" können; Dies deutet darauf hin, dass das Arbeitsgedächtnis zumindest teilweise im Aktivierungszustand von Neuronen gespeichert wird.

Das Langzeitgedächtnis ist persistent und dauert theoretisch bis zum Lebensende einer Person. Es ist allgemein bekannt, dass das Langzeitgedächtnis in den Verbindungen zwischen Neuronen gespeichert wird .

Das Zwischengedächtnis ist eine relativ neue Gedächtnistheorie, die irgendwo zwischen Arbeitsgedächtnis und Langzeitgedächtnis angesiedelt ist. Soweit mir bekannt ist, verstehen wir viele Mechanismen dahinter noch nicht.

Großmutterzellen vs. verteilte Repräsentationen

Die Idee einer „Großmutterzelle“ ist praktisch die ultimative spärliche Darstellung : dass es ein einzelnes Neuron in Ihrem Gehirn gibt, das Ihre Großmutter repräsentiert, und dass alles, was Sie über Ihre Großmutter wissen, durch Verbindungen mit dieser Zelle verbunden ist.

Am anderen Ende des Spektrums befindet sich eine „verteilte Repräsentation“, bei der ein Netzwerk gleichzeitig aktiver Zellen ein Konzept darstellt und dass diese Zellen miteinander und mit verwandten Konzepten verbunden sind (siehe hier , hier und hier ) . Diese Netzwerke könnten stark überlappen und möglicherweise mehr überlappen, wenn Sie über verwandte Konzepte sprechen: dh „Hund“ und „Katze“ könnten sich mehr überschneiden als „Fisch“ und „Eichhörnchen“, da erstere beide vierbeinige Tiere sind leben an Land und werden als Haustiere gehalten - viele Ähnlichkeiten.

Realistischerweise argumentiert niemand in der modernen Neurowissenschaft wirklich für die Existenz von "Großmutterzellen", aber es gibt sicherlich Argumente über spärliche vs. verteilte Repräsentationen, und jetzt sind die Zellverbände oder Netzwerke groß oder klein, die bestimmte Konzepte widerspiegeln, und was die Bedeutung ist des Kontextes ist. Die Hauptargumente, die Sie heute sehen werden, betreffen das Ausmaß der Verteilung über Gehirnbereiche: das heißt, gibt es Gehirnbereiche, die etwas verteilte Repräsentationen abstrakter Konzepte enthalten, oder sind diese Konzepte über Modalitäten verteilt (wobei Ihr Konzept von "Baseball" ein synthetisierte visuelle Repräsentation im visuellen Kortex, die Textur der Nähte im somatosensorischen Kortex, das Geräusch von Ball-on-Bat im auditiven Kortex, der motorische Plan zum Werfen des Balls im motorischen Kortex usw.).

Beweise für Großmutterzellen?

Ungeachtet dessen, was ich gerade gesagt habe, wurden vor einigen Jahren einige interessante Abhandlungen über Menschen veröffentlicht, insbesondere diese . Diese Papiere zeigten Neuronen in einem bestimmten Bereich des Gehirns, die unveränderliche Reaktionen auf bestimmte Konzepte zeigten, vielleicht am bekanntesten „Jennifer Aniston“-Zellen und „Halle Berry“-Zellen, die nicht nur auf verschiedene Bilder jeder Schauspielerin reagierten, sondern auch auf andere abstraktere Darstellungen wie ihr geschriebener Name. Dies sind eindeutig nicht die Zellen, die typischerweise im primären visuellen Kortex beschrieben werden und auf Stimuli wie Balken und Kanten reagieren.

Diese Papiere wurden in der Laienwissenschaft und der allgemeinen Presse als Beweis oder Beweis für die „Großmutterzellen“-Theorie beschrieben . Einige waren verantwortungsvoller und schlossen einige der eigenen Worte der Autoren ein (siehe auch hier ): Im Wesentlichen argumentieren die Autoren, dass Zellverbände ziemlich klein sein könnten (aber nicht zu klein – die Autoren haben nur von wenigen Zellen aufgezeichnet, aber Dutzende gefunden die auf Jennifer Aniston geantwortet hat, nicht nur eine, zum Beispiel).

Informationen in Zellen oder Verbindungen

Um auf Ihre ursprüngliche Frage zurückzukommen: Sie haben gefragt, ob der Unterschied zwischen einer Großmutterzelle und einem neuronalen Netzwerk darin besteht, ob die Informationen in den Zellen oder in den Verbindungen gespeichert sind. Ich würde argumentieren, dass, obwohl im Modell der "Großmutterzelle" viel Wert auf einzelne Zellen gelegt wird, in beiden Fällen die Informationen in den Verbindungen gespeichert werden.

Selbst wenn Sie den Extremfall der „Großmutterzelle“ annehmen, bei der eine Zelle der Knotenpunkt ist, der allein Ihre Großmutter repräsentiert, werden die Informationen nicht als „Oma“ gespeichert, sondern als die Assoziationen, die Sie mit ihr haben: vielleicht Gerüche von Kekse, die Form ihres Gesichts, ihr Name auf einer Geburtstagskarte. Wenn Sie jemandes Großmutterzelle aus ihrem Gehirnnetzwerk herausziehen und sie befragen würden, könnten Sie überhaupt nichts über ihre Großmutter erfahren.

Der Unterschied zwischen der "Großmutterzelle" und einem stärker verteilten Netzwerk besteht darin, dass wir im Fall der "Großmutterzelle" erwarten würden, eine andere Zelle zu finden, die speziell den Keksgeruch darstellt, und eine weitere, die die Form ihres Gesichts darstellt (und nur sie Gesicht) und so weiter. In einem stärker verteilten Netzwerk würde jedes dieser verwandten Konzepte von seinem eigenen Netzwerk codiert, und diese Netzwerke könnten sich etwas überschneiden, wenn die Konzepte eng miteinander verwandt sind: Das heißt, ein Teil Ihrer Darstellung von „Großmutter“ ist der Geruch ihrer Kekse .

Soweit ich weiß, lautet die kurze Antwort, dass wir kein vollständiges Bild davon haben, wie biologische neuronale Netzwerke Informationen speichern.

Wenn Sie bereit sind, die Einschränkungen Ihrer Frage zu lockern, um sie auf künstliche neuronale Netze auszudehnen, ist Ihre Antwort erheblich einfacher zu beantworten, zum Teil, weil wir sie viel besser verstehen. Künstliche neuronale Netze speichern Informationen als synaptische Gewichte , was der einzige Teil ist, der sich während des Trainings eines Netzes ändert. Der Rest des Netzwerks wie die Topologie und die Aktivierungsfunktion bleibt unverändert.

Bildklassifizierer sind ein praktisches Beispiel für Informationen als synaptische Gewichte, da wir durch maximale Aktivierung von Neuronen sehen können, was das neuronale Netzwerk „sieht“. Es ist sofort ersichtlich, dass in den Gewichten eines Netzwerks viele Informationen gespeichert sind. Das Bild unten stammt aus Understanding Neural Networks Through Deep Visualization