Onderzoek naar de rol van ruiscorrelaties bij het leren

De hersenen van zoogdieren vertegenwoordigen informatie met behulp van gedistribueerde populatiecodes die een aantal voordelen bieden, van robuustheid tot een hoog representatief vermogen. Voor stroomafwaartse uitleesneuronen vormen dergelijke codes echter formidabele hoogdimensionale leerproblemen, aangezien een zeer groot aantal synaptische verbindingen tijdens het leren moet worden aangepast op zoek naar een geschikte uitlezing. Ons recente theoretische werk veronderstelde dat deze hoogdimensionale leerproblemen kunnen worden vereenvoudigd door inductieve vooroordelen die worden geïmplementeerd via stimulus-onafhankelijke ruiscorrelaties die de mate uitdrukken waarin een paar neuronen covarieren in hun fluctuaties van proef tot proef. Hoewel ruiscorrelaties van oudsher werden gezien als beperkingen op het representatievermogen, toont ons recente werk aan dat ze tegelijkertijd het uitlezen beperken. In sommige biologisch relevante gevallen zouden ze het leren theoretisch kunnen versnellen door de geometrie van de onderliggende neurale ruimte vorm te geven om de gradiënt van het leren te concentreren op taakrelevante dimensies. Deze veronderstelde rol van ruiscorrelaties bij het vormgeven van leren is echter nog niet empirisch getest. Hier werken de onderzoekers een experimenteel raamwerk uit om de voorspelde rol van ruiscorrelaties, zoals gemeten door covariatie in fMRI multi-voxel BOLD-activiteitspatronen voor een bepaalde stimulus, op het leren in zowel bekende als nieuwe contexten te testen. In vertrouwde contexten kunnen nuttige ruiscorrelaties worden geïnduceerd door input van bovenaf vanuit de prefrontale cortex die relevante taakdimensies signaleert. De sterkte van ruiscorrelaties in taakrelevante dimensies zou dus een sneller leren over taakrelevante kenmerken voorspellen. Aan de andere kant, in nieuwe contexten waarin de relevante taakdimensies onbekend zijn, kunnen ruiscorrelaties gradiënten naar taak-irrelevante dimensies forceren en zo het leren belemmeren. Daarom kan het onderdrukken van ruiscorrelaties, die kunnen worden bereikt door middel van neuromodulerende signalering, het leren versnellen door bias vroeg tijdens het leren of na een verandering in de taakrelevante stimulus te verminderen. Binnen onze doelstellingen ontwikkelen de onderzoekers een plan om de meest fundamentele voorspellingen van ons computermodel te testen met behulp van fMRI om de geometrie van ruiscorrelaties en pupillometrie te karakteriseren als proxy voor neuromodulerende signalering bij menselijke proefpersonen. Het geplande onderzoek zal de eerste empirische test opleveren van de rol van ruiscorrelaties bij het leren.