The Thousand Brains Theory 2.0: An Extension for the Long-Range Connections of the Neocortical Heterarchy
Dit artikel breidt de Thousand Brains Theory uit door voor te stellen dat de neocortex opereert als een heterarchie waarbij thalamische en grootschalige cortico-corticale verbindingen egocentrische sensorische data omzetten in allocentrische modellen en het leren van compositionele objecten mogelijk maken, waardoor eerder onverklaarde anatomische en computationele mechanismen van intelligentie worden geadresseerd.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Het menselijk brein is een uitgestend landschap van miljarden neuronen, maar al meer dan een eeuw zoeken wetenschappers naar de fundamentele eenheid die deze complexiteit laat werken. In de jaren 1950 stelde een neuroloog genaamd Vernon Mountcastle voor dat het brein is opgebouwd uit herhalende kolommen, zoals een bos van identieke bomen, waarbij elke kolom fungeert als een basis verwerkingseenheid. Decennialang was het heersende idee dat deze kolommen werken in een strikte hiërarchie, zoals een bedrijfsladder waar informatie omhoog stroomt van eenvoudige details naar complexe ideeën, waarbij het meest geavanceerde begrip pas aan de absolute top verschijnt. Echter, een groeiende hoeveelheid bewijs suggereert dat het brein veel meer verbonden en flexibel is dan een simpele ladder, met kolommen die op complexe, niet-lineaire manieren met elkaar communiceren. Het begrijpen van hoe deze kolommen communiceren is cruciaal, omdat het de sleutel bevat tot hoe we een kop koffie herkennen, of deze nu rechtop staat of ondersteboven, hoe we leren dat een wiel onderdeel is van een fiets, en uiteindelijk, hoe onze hersenen een stabiel model van de wereld construeren uit een chaotische stroom van sensorische gegevens.
In een nieuwe paper getiteld "The Thousand Brains Theory 2.0" stellen onderzoekers Jeff Hawkins, Niels Leadholm en Viviane Clay een belangrijke update voor aan hun eerdere theorie over hoe het brein werkt. Zij betogen dat het brein niet simpelweg passief informatie ontvangt; in plaats daarvan is elke enkele kolom in het brein een sensorimotorisch systeem dat leert door te bewegen en te voelen. De auteurs suggereren dat het brein, om de wereld te begrijpen, constant informatie moet vertalen tussen twee verschillende perspectieven: het zicht vanuit de sensor zelf, dat verandert terwijl we onze ogen of handen bewegen, en een stabiel, vast standpunt van het object zelf. De paper introduceert een specifieke methode voor hoe deze vertaling plaatsvindt en legt uit hoe het brein leert objecten te zien als collecties van andere objecten, zoals een auto gemaakt van wielen en deuren, in plaats van slechts een hoop losgekoppelde onderdelen.
De onderzoekers beginnen door een langlopend raadsel in de neurowetenschap aan te pakken: het brein bevat veel verschillende typen langafstandsverbindingen tussen zijn kolommen, en bestaande theorieën worstelen met de vraag wat al deze verbindingen doen. Sommige verbindingen gaan omhoog en omlaag in een hiërarchie, terwijl andere zijwaarts lopen of door een centrale structuur genaamd de thalamus lopen. De auteurs stellen voor dat deze verbindingen niet zomaar willekeurige bedrading zijn, maar twee onderscheidende, vitale taken vervullen. De eerste taak is om als vertaler te fungeren. Wanneer je naar een object kijkt, bewegen je ogen, kantel je hoofd, en verschuift het beeld op je netvlies constant. Toch neem je het object als stabiel waar. De paper suggereert dat de thalamus, een schakelstation diep in het brein, een snelle rotatie van deze sensorische data uitvoert. Het neemt het verschuivende, bewegende beeld van je sensoren en zet dit onmiddellijk om in een vast, stabiel beeld ten opzichte van het object. Dit gebeurt voor elke enkele kolom, waardoor het brein een gezicht of een gereedschap kan herkennen, ongeacht hoe je je hoofd houdt of waar je ogen naar kijken.
De tweede grote bijdrage van de paper is een nieuwe verklaring voor hoe het brein complexe, samengestelde objecten leert herkennen. In het oude beeld werd gedacht dat het brein zich opbouwde van eenvoudige lijnen naar complexe vormen naarmate de informatie door de hiërarchie klom. De auteurs betogen echter dat elke kolom, zelfs die aan de basis van de verwerkingsstroom, direct leert om hele objecten te herkennen. De hiërarchische verbindingen tussen kolommen worden vervolgens gebruikt om te leren hoe deze hele objecten in elkaar passen. Bijvoorbeeld, een kolom kan leren hoe een "wiel" eruitziet, terwijl een kolom daarboven leert hoe een "fiets" eruitziet. De verbinding tussen hen leert het brein dat een wiel een onderdeel is van een fiets, en specifiek waar dat wiel zich op de fiets bevindt. Dit leren vindt punt voor punt plaats terwijl je met je ogen of vingers over het object beweegt, waarbij de locatie van het onderdeel wordt gekoppeld aan de locatie van het geheel. Dit stelt het brein in staat om te begrijpen dat een logo op een kopje uitgerekt of gebogen kan zijn, en toch nog steeds als hetzelfde logo herkend wordt, omdat het brein de relatie tussen het logo en het kopje heeft geleerd bij elk specifiek contactpunt.
De paper verheldert ook de rol van de thalamus, die vaak louter is gezien als een passieve schakelbord die signalen van de zintuigen naar de cortex doorgeeft. De auteurs suggereren dat het een actieve verwerker is die deze cruciale oriëntatie-transformaties uitvoert. Ze stellen een specifieke methode voor waarbij thalamische cellen fungeren als schakelaars die kunnen selecteren welk binnenkomend signaal ze doorgeven, afhankelijk van de huidige oriëntatie van het hoofd of het lichaam. Dit stelt het brein in staat om een consistent begrip van de wereld te behouden, zelfs wanneer het lichaam beweegt. Bovendien betoogt de paper dat het brein opereert als een "heterarchie", een complex web waarin regio's parallel kunnen werken en direct kunnen communiceren, in plaats van een strikte piramide waar informatie eerst door elk niveau moet klimmen. Dit betekent dat een laag-niveau regio een heel object kan herkennen en die informatie direct naar een hoog-niveau regio, of naar een motorisch gebied kan sturen, zonder te hoeven wachten op een trage, stap-voor-stap klim door de hiërarchie.
Deze ideeën zijn niet slechts theoretische overwegingen; de auteurs wijzen op bestaande experimentele data die hun visie ondersteunen, zoals neuronen in de visuele cortex die reageren op objecten ongeacht hun oriëntatie, en verbindingen tussen verschillende sensorische gebieden die zorgen voor een snelle consensus. Ze bieden ook specifieke voorspellingen voor toekomstige experimenten, zoals het zoeken naar specifieke patronen van verbindingen tussen kolommen die delen en gehelen vertegenwoordigen, of het testen hoe het brein zich aanpast wanneer de oriëntatie van sensorische input kunstmatig wordt veranderd. Door het brein te kaderen als een verzameling sensorimotorische eenheden die constant beweging vertalen naar stabiele modellen en leren hoe objecten elkaar samenstellen, biedt dit werk een fris perspectief op intelligentie. Het suggereert dat het vermogen om de wereld te begrijpen niet voortkomt uit een enkele, centrale verwerker, maar uit duizenden kleine, gespecialiseerde eenheden die samenwerken om een stabiel beeld van de realiteit te behouden, ongeacht hoeveel we bewegen of hoe de wereld om ons heen verandert.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.