AI モデルに新たな革命が起こるのでしょうか?脳の記憶は回転するのでしょうか？過去と未来は実際には「直交」した空間である

人間も他の動物も、目覚めるたびに過去の記憶を整理し、新しい記憶を迎える準備をします。

私たちは、以前の観察や出来事の短期記憶を保持しながら、周囲の世界に関する新しい感覚情報を取り入れなければなりません。私たちが周囲を理解し、学び、行動し、考える能力はすべて、知覚と記憶の絶え間ない相互作用に依存しています。

しかし、これを行うには、脳が過去と記憶を分けて保持する必要があります。そうしないと、新しいデータのストリームによって以前の記憶が妨げられ、重要な文脈情報が上書きされたり、誤って解釈されたりする可能性があります。

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数多くの研究により、脳は短期記憶機能を前頭前野などの高次認知領域にきちんと割り当てているわけではないことが示されており、経験を表す感覚領域やその他の皮質下中枢も記憶を符号化して保存できることが示唆されています。

しかし、これらの記憶は、私たちの現在に対する見方を妨げたり、新しい経験によって上書きされたりしてはなりません。

Nature Neuroscience に最近発表された論文は、脳の保護バッファーがどのように機能するかをついに説明するかもしれない。

研究者たちは、現在の刺激と過去の刺激を互いに干渉することなく同時に表現するために、脳は本質的に感覚情報を「回転」させて記憶としてコード化していると考えている。

数学的に説明すると、重なり合う神経活動から 2 つの直交表現が生まれるため、それらは互いに干渉しません。このメカニズムは、記憶処理に関する議論を解決するのに役立ちます。

脳がどのようにして新しい情報と短期記憶が混ざり合うのを防ぐのかを解明するために、プリンストン大学の神経科学者ティモシー・ブッシュマン氏と彼の研究室の大学院生アレクサンドラ・リビー氏は、マウスの聴覚知覚に焦点を当てることにした。彼らはネズミに4つの和音の連続を何度も繰り返し聞かせ、ブッシュマン氏が「史上最悪のコンサート」と呼ぶものを作り上げた。

この「コンサート」により、マウスは特定のコード間の関連付けを行えるようになり、最初のコードが別のコードと組み合わさった音を聞いたときに、どのような音が生成されるかを予測できるようになりました。

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研究者らはまた、これらの聴覚セッション中にげっ歯類の聴覚皮質から記録された神経活動を分析する機械学習分類器を訓練し、各ニューロンがシーケンス内の各刺激を集合的にどのように表現するかを判断しました。

ブッシュマン氏とリビー氏は、マウスが接続を形成するにつれてこれらのパターンがどのように変化するかを観察し、時間の経過とともに、関連するコードの神経表現がより密接になり始めることを発見しました。

しかし研究者らは、なじみのないコードシーケンスなどの新しい感覚入力が、以前の入力の表現を上書きすることで、マウスが聞いた音の表現を妨げる可能性があることも観察した。

ニューロンは、たとえそれが間違っていたとしても、動物が後の刺激と関連付けた刺激と一致するように、過去の刺激のエンコードを再帰的に変更します。研究者たちは、脳がどのようにしてこの干渉を修正し、正確な記憶を維持するのかを明らかにしたかった。

そこで研究者たちは、別の分類器を訓練して、和音記憶の神経パターンを認識して区別できるようにした。たとえば、未知のコードと既知のコードがニューロンの発火方法に与える影響などです。

分類器は、以前の関連付けを維持するために誤った「修正」を繰り返し書き出すのではなく、聞いた和音の記憶から完全な活動パターンを見つけましたが、これらの記憶のエンコードは、感覚が表現される方法とは非常に異なっているように見えました。

記憶表現は、神経科学者が感覚表現の「直交」次元と表現するものに沿って編成され、すべて同じニューロン集団内にあります。

ブッシュマン氏は、次のような例え話をしています。「紙に手書きのメモを取っているところを想像してください。紙を 90 度回転させて余白に書き始めます。基本的に、脳はそれと同じことをしています。」最初の感覚入力を取得し、それを紙に書き留め、次にそれを 90 度回転させて、新しい感覚入力を妨害したり文字通り上書きしたりすることなく、その上に書き込むことができます。

言い換えれば、感覚データはニューロンの発火パターンの変化を通じて記憶に変換されます。

脳内の情報を分離して保護するために直交符号化が使用されることは、これまでにも見られてきました。たとえば、サルが動く準備をするとき、運動皮質の神経活動は潜在的な動きを表しますが、実際の命令を筋肉に伝える信号に干渉しないように直交的に行われます。

それにもかかわらず、神経活動がこのようにどのように変換されるかは不明なことが多い。ブッシュマン氏とリビー氏は、マウスの聴覚皮質で観察されているものを理解するために、この疑問に答えたいと考えました。 「研究室で働き始めた当初は、神経発火活動でこのようなことが起こるとは想像もつきませんでした」とリビー氏は言う。彼女は「この直交性を生み出すためにニューラルネットワークが何をしているのかというブラックボックスを明らかにしたい」と考えていた。

研究者たちは驚いたことに、この安定化ニューロンとスイッチングニューロンの組み合わせは、感覚情報を回転させて記憶に変換するのに十分だった。

実際、彼とリビーは計算モデルを使用して、このメカニズムが感覚と記憶の直交表現を構築する最も効率的な方法であることを示しました。他のアプローチよりも必要なニューロンとエネルギーが少なくて済みます。

ブッシュマン氏とリビー氏の研究結果は、神経科学における新たな傾向を前進させるものである。すなわち、より低次の感覚領域においても、ニューロン集団はこれまで考えられていたよりも豊富な動的コードに関与しているということである。サセックス大学の神経科学者ミゲル・マラヴァル氏は次のように語った。「食物連鎖の下位にある皮質の部分にも非常に興味深いダイナミクスがあるが、おそらく私たちはこれまでそのことにあまり気付いていなかったのだろう。」

この研究は、短期記憶が一定した永続的な表現を通じて維持されるのか、それとも時間の経過とともに変化する動的な神経コードを通じて維持されるのかという、現在進行中の議論の2つの側面を調和させるのに役立つかもしれない。ブッシュマン氏は、彼らの研究結果が、この考えが本質的に正しいこと、そして直交回転が干渉を防ぐのに役立つことを証明したと考えている。

Buschman と Libby の研究は、感覚的表現を超えた文脈でも関連がある可能性があります。彼らと他の研究者たちは、この直交回転のメカニズムを他のプロセスでも探したいと考えています。つまり、脳が複数の考えや目標を同時に追跡する方法、気を散らすものに対処しながらタスクを完了する方法、内部状態を表現する方法、注意プロセスを含む認知を制御する方法です。

リビー氏は、彼らの研究結果が人工知能の研究、特に複数のタスクを実行する必要がある AI ネットワークに役立つアーキテクチャの設計に重要な影響を与えると考えています。