PFC(Ön Beyin) İşlevinin Bütünleşik Bir Teorisi

AN INTEGRATIVE THEORY OF PREFRONTAL CORTEX FUNCTION
PREFRONTAL CORTEX İŞLEVİNİN BÜTÜNLEŞİK BİR TEORİSİ

Earl K. Miller, Center for Learning and Memory, RIKEN-MIT Neuroscience Research Center and Department of Brain and Cognitive Sciences, MIT.
Jonathan D. Cohen, Center for the Study of Brain, Mind, and Behavior and Department of Psychology, Princeton

Abstract ... cognitive control stems from the active maintenance of patterns of activity in the prefrontal cortex that represent goals and the means to achieve them. They provide bias signals to other brain structures whose net effect is to guide the flow of activity along neural pathways that establish the proper mappings between inputs, internal states, and outputs needed to perform a given task.
... muhakemesel kontrol, prefrontal cortex içinde, hedefleri ve onları başarmak için gerekli yordamları temsil eden faaliyet desenlerinin aktif bakımından kaynaklanır. Beynin diğer yapılarına, bir görevi yerine getirmek için gerekli, girişler, iç durumlar, ve çıkışlar arasındaki denklikleri kurarak, sinirsel yollarda faaliyet akışını yönlendirme net etkisini yapan önzeminleme işaretlerini sağlarlar.

INTRODUCTION ...
GİRİŞ ...
Simple behaviors can rely on relatively straightforward interactions between the brain’s input and output systems. Animals with fewer than a hundred thousand neurons (in the human brain there are 100 billion or more neurons) can approach food and avoid predators. For animals with larger brains, behavior is more flexible. ...
Basit davranışlar beynin giriş ve çıkış sistemleri arasındaki görece doğrudan etkileşimlere dayanır. 100 binden az sinir hücresine sahip hayvanlar (insan beyninde 100 milyar veya daha çok sinir hücresi vardır) yiyeceklere yaklaşabilir ve kendilerini yok edebilecek canavarlardan kaçınabilirler. Daha büyük beyinli hayvanlar için, davranış daha esnek olabilir...

To deal with this multitude of possibilities and to curtail confusion, we have evolved mechanisms that coordinate lower-level sensory and motor processes along a common theme, an internal goal.
Bu yüksek sayıda olasılıkları idare edebilmek ve karmaşıklığı kısmen de olsa azaltmak için, aşağı-seviyede algılar ve motor süreçlerini ortak bir tema, dahili bir hedef doğrultusunda koordine eden mekanizmalar geliştirmişiz.
...
It is well positioned to coordinate a wide range of neural processes: The PFC is a collection of interconnected neocortical areas that sends and receives projections from virtually all cortical sensory systems, motor systems, and many subcortical structures.
PFC geniş bir sinirsel süreç yelpazesini koordine etmek için uygunkonumdadır: PFC hemen hemen bütün cortical algılama sistemleri, motor sistemleri, ve çok sayıda subcortical yapıdan gelen yansıtıcı bağlantıları alan ve geri gönderen kendi içlerinde bağlantılı bir neocortical alanlar topluluğudur.

The Role of the PFC in Top-Down Control of Behavior
Davranışın Yukarıdan Aşağıya Kontrolünde PFC’nin Rolü
The PFC is not critical for performing simple, automatic behaviors, such as our tendency to automatically orient to an unexpected sound or movement. These behaviors can be innate or they can develop gradually with experience as learning mechanisms potentiate existing pathways or form new ones.
PFC beklenmedik bir ses veya hareket olduğunda ona doğru dönme eğilimimiz gibi basit, otomatik davranışlar yapmamızda kritik bir rol oynamaz. Bu davranışlar içten gelebilir ya da öğrenme mekanizmaları, varolan patikaların ağırlığını arttırdıkça veya bunların yenilerini oluşturdukça adım adım gelişir.

These “hardwired” pathways are advantageous because they allow highly familiar behaviors to be executed quickly and automatically (i.e. without demanding attention). However,these behaviors are inflexible, stereotyped reactions elicited by just the right stimulus. They do not generalize well to novel situations, and they take extensive time and experience to develop.
Bu sabit bağlı patikalar yüksek seviyede tanıdık davranışların çabuk ve otomatik (örn. dikkat gerektirmeden) gerçekleştirilmesine izin verdikleri için avantajlıdırlar. Yine de, bu davranışlar esnek değildir, yalnızca doğru dürtü tarafından iletilen genelleştirilmiş tepkilerdir. Yeni durumlara iyi genelleştirilemezler, ve geliştirilmeleri için uzun zaman ve tecrübe gerekir.
These sorts of automatic behaviors can be thought of as relying primarily on “bottom-up” processing; that is, they are determined largely by the nature of the sensory stimuli and well-established neural pathways that connect these with corresponding responses.
Bu tür otomatik davranışlar öncelikler “aşağıdan-yukarıya” işleyiş sürecine dayanmak olarak düşünülebilir; yani,bu davranışlar çoğunlukla algısal dürtüler ve bunları karşı düşen yanıtlara bağlayan yerine oturmuş sinirsel patikalar tarafından belirlenirler.
By contrast, thePFC is important when “top-down” processing is needed; that is, when behavior must be guided by internal states or intentions. The PFC is critical in situations when the mappings between sensory inputs, thoughts, and actions either are weakly established relative to other existing ones or are rapidly changing.
Buna karşın, PFC “yukarıdan-aşağıya” işleyiş gerektiğinde önemlidir; yani, davranışın iç durum ve niyetler tarafından yönlendirilmesi şart olduğunda. Algısal girdiler, düşünceler ve eylemler, varolan diğerlerine göre daha zayıf kuruldukları veya hızla değiştikleri durumlarda PFC kritik önemdedir.
This is when we need to use the “rules of the game,” internal representations of goals and the means to achieve them. Several investigators have argued that this is a cardinal function of the PFC...
Bu “oyunun kurallarını”, hedeflerin iç temsilleri ve onlara erişmek için geçilen yolları kullanmak istediğimizde gerekir. Çok sayıda araştırıcı bunun PFC’ye ait önde gelen bir işlev olduğunu sorgulamıştır.

This illustrates one of the most fundamental aspects of cognitive control and goal-directed behavior: the ability to select a weaker, task-relevant response (or source of information) in the face of competition from an otherwise stronger, but task-irrelevant one. Patients with frontal impairment have difficulty with this task... ...
Bu muhakemesel kontrol ve hedefe-yönelik davranışın en temel yönlerinden birini gösterir. Daha kuvvetli fakat görevle ilişkisiz biriyle yarışma halinde, daha zayıf, ama görevle ilişkili bir yanıtı(ya da bilgi kaynağını) seçebilmek yeteneği. Önbeyinde hasarlı hastalar bu görevi başarmakta zorluk çekerler...

Overview of the Theory
Teorinin Genel Görüntüsü
We assume that the PFC serves a specific function in cognitive control: the active maintenance of patterns of activity that represent goals and the means to achieve them.
PFC’nin muhakemesel kontrolda özel bir işleve hizmet ettiğini kabul ediyoruz: hedefleri ve onları başarmak için gerekli yordamları temsil eden eylem desenlerinin aktif bakımı.
They provide bias signals throughout much of the rest of the brain, affecting not only visual processes but also other sensory modalities, as well as systems responsible for response execution, memory retrieval, emotional evaluation, etc.
Onlar beynin geri kalan kısmının çoğu için önzemin işaretleri sağlar, yalnız görsel süreçleri değil diğer algı türlerini, ve yanıt icrası, bellek erişimi, duygusal değerlendirme, ve diğerlerini de.
The aggregate effect of these bias signals is to guide the flow of neural activity along pathways that establish the proper mappings between inputs, internal states, and outputs needed to perform a given task.
Bu önzemin işaretlerinin toplam etkisi, bir işi yapmak için ihtiyaç duyulan, girişler, iç durumlar, ve çıkışlar arasındaki uygun eşleştirmeleri kuran patikalar boyunca sinirsel faaliyetlerin akışını yönlendirmektir.
This is especially important whenever stimuli are ambiguous (i.e. they activate more than one input representation), or when multiple responses are possible and the task-appropriate response must compete with stronger alternatives.
Dürtüler ikircikli olduğunda (yani birden çok giriş temsilini harekete geçirdiklerinde) bu özellik önemlidir, veya çok sayıda yanıt mümkün olduğunda ve göreve uygun yanıt kuvvetli seçeneklerle yarışmak zorunda olduğunda.
From this perspective, the constellation of PFC biases...can be viewed as the neural implementation of attentional templates, rules, or goals, depending on the target of their biasing influence.
Bu bakış açısından, PFC önzemin burçlarının önkoşullayıcı etkilerine göre hedeflerine bağlı olarak dikkat şablonları, kurallar, veya hedeflerin sinirsel gerçekleşmeleri olarak görülebilir.
When a behavior meets with success, reinforcement signals augment the corresponding pattern of activity by strengthening connections between the PFC neurons activated by that behavior.
Bir davranış başarıya ulaştığında, bu davranış tarafından harekete geçirilen PFC nöronları aralarındaki bağlantıları güçlendirerek buna karşı düşen faaliyet desenini büyültür.
This process also strengthens connections between these neurons and those whose activity represents the situation in which the behavior was useful, establishing an association between these circumstances and the PFC pattern that supports the correct behavior.
Bu süreç, bu nöronlarla, hedef eylemi davranışının kullanılabilir olduğu durumu temsil eden nöronlar arasındaki bağlantıları güçlendirir, doğru davranışı destekleyen bu koşullarla PFC desenleri arasında bağ kurar.
But we believe that this general notion can explain many of the posited functions of the PFC. The biasing influence of PFC feedback signals on sensory systems may mediate its role in directing attention (Stuss &Benson 1986; Knight 1984, 1997; Banich et al 2000), signals to the motor system may be responsible for response selection and inhibitory control (Fuster 1980, Diamond 1988), and signals to intermediate systems may support short-term (or working) memory (Goldman-Rakic 1987) and guide retrieval from long-term memory (Schachter 1997, Janowsky et al 1989, Gershberg & Shimamura 1995).
Bu genel anlayışın PFC için ileri sürülen işlevlerin bir çoğunu açıklayabildiğine inanıyoruz. PFC geribesleme işaretlerinin geri besleme etkisi onun dikkati yönlendirişteki rolünde hakemlik yapar, motor sistemine giden işaretler yanıt seçimi ve yasaklayıcı kontrolden sorumlu olabilir, ara sistemlere giden işaretler kısa-dönem(ya da iş yapıcı) belleği destekler ve uzun dönem bellekten bilgi almayı yönlendirir.
Without the PFC, the most frequently used (and thus best established) neural pathways would predominate or, where these don’t exist, behavior would be haphazard. Such impulsive, inappropriate, or disorganized behavior is a hallmark of PFC dysfunction in humans (e.g. Bianchi 1922, Duncan 1986, Luria 1969, Lhermitte 1983, Shallice & Burgess 1996, Stuss & Benson 1986).
PFC olmasaydı, en sık kullanılan(ve böylece en sağlam kurulu) sinirsel patikalar öne çıkardı ya da bunların olmadığı yerde, davranış bir muamma olurdu. Bu tür tepkisel, uygunsuz, veya düzensiz davranış PFC işlevi bozuk insanlarda tipiktir.
Minimal Requirements for a Mechanism of Top-Down Control
Bir Yukarıdan Aşağıya Kontrol Mekanizması için en azından Gerekenler
There are several critical features of our theory. First, the PFC must provide a source of activity that can exert the required pattern of biasing signals to other structures. We can thus think of PFC function as “active memory in the service of control.”
Teorimizin çok sayıda kritik özellikleri var. İlk olarak, PFC diğer yapılara gerekli zemin işaret desenlerini uygulayacak bir faaliyet kaynağı sağlamalıdır. Böylece, PFC işlevini ‘kontrol hizmetinde aktif bellek’ olarak düşünebiliriz.
It follows, therefore, that the PFC must maintain its activity robustly against distractions until a goal is achieved, yet also be flexible enough to update its representations when needed.
Böylece, bundan sonra, hedef başarılıncaya kadar, PFC’nin dikkat dağıtıcılarından etkilenmeden faaliyetini sürdürmesi, ama olaya ilişkin temsillerini güncelleştirerek esnek olması zorunludur.
It must also house the appropriate representations, those that can select the neural pathways needed for the task. In sofar as primates are capable of tasks that involve diverse combinations of stimuli, internal states, and responses, representations in the PFC must have access to and be able to influence a similarly wide range of information in other brain regions.
Görev için gerekli sinirsel patikaları seçebilecek uygun temsilleri barındırmak zorundadır. İki ayaklılar zengin dürtü kombinasyonları, iç durumlar, ve yanıtlar içeren görevler yerine getirebildiklerine göre, PFC içindeki temsillerin benzer şekilde beynin başka bölgelerinde geniş bir bilgi yelpazesine erişmesi ve etkileyebilmesi zorunludur.
That is, PFC representations must have a high capacity for multimodality and integration. Finally, as we can acquire new goals and means, the PFC must also exhibit a high degree of plasticity.
Yani PFC temsilleri, yüksek bir çoğul algı çeşitliliği ve tümleşme kapasitesine sahip olmalıdır. Son olarak, yeni teklifler ve yordamlar edinebildiğimize göre, PFC yüksek derecede plasticite(programlanabilme yeteneği) göstermek zorundadır.
Of course, it must be possible to exhibit all these properties without the need to invoke some other mechanism of control to explain them, lest our theory be subject to perennial concerns of a hidden “homunculus.”
Tabii ki bütün bu özellikleri, onları açıklayacak başka bir kontrol mekanizmasını harekete geçirmek gerekmeden, gösterebilmek zorunludur, aksi takdirde teorimiz yeni bir ‘homunculus’ (yumurta-tavuk ilişkisi gibi) yaratır.
pattern of deficits following PFC damage as a loss of the ability to acquire and use behavior-guiding rules. ...
PFC hasarından sonra görülen yetersizlik desenleri davranış yönlendiren kuralları öğrenme ve kullanım yeteneğinin kaybı olarak ortaya çıkar.
A GUIDED ACTIVATION THEORY OF PFC FUNCTION ...
PFC İŞLEVİNİN BİR YÖNLENDİRİLMİŞ HAREKETE GEÇİRİŞ TEORİSİ
Guided Activation as a Mechanism of Cognitive Control
Muhakemesel Kontrol için bir Mekanizma olarak Yönlendirilmiş Harekete Geçiriş
...the role of the PFC is modulatory rather than transmissive. That is, the pathway from input to output does not “run through” the PFC. Instead, the PFC guides activity flow along task-relevant pathways in more posterior and/or subcortical areas.
PFC’nin rolü iletici değil değişimi ayarlayıcıdır. Yani, girişten çıkışa patika PFC içinden geçmez. Onun yerine, PFC göreve ilişkin patikalar boyunca faaliyet akışını daha arha ve/veya alt cortical alanlara yönlendirir.
This distinction between modulation vs transmission is consistent with the classic pattern of neuropsychological deficits associated with frontal lobe damage.
Modulasyon’a karşıt transmisyon aralarındaki ayrım ön beyinle ilgili klasik nöropsikolojik hasarlara ilişkin yetersizliklerle tutarlıdır.
The components of a complex behavior are usually left intact, but the subject is not able to coordinate them in a task-appropriate way (for example, a patient who, when preparing coffee, first stirred and then added cream). ...
Kompleks davranışın bileşenleri genellikle olduğu gibi kalır, fakat kişi onları göreve uygun bir şekilde koordine edemez (örneğin kahve hazırlayan bir hasta önce karıştırır sonra krema koyar).
Active Maintenance in the Service of Control...
Kontrolün Hizmetinde Aktif Bakım
another critical feature of our theory: the importance of sustained activity as a mechanism of control..
Teorimizin bir başka kritik özelliği; bir kontrol mekanizması olarak sürdürülen faaliyetin sürekliliğidir.

executive control involves the active maintenance of a particular type of information:the goals and rules of a task.
Yönetimsel kontrol belirli bir bilgi tipinin aktif bakımını içerir: bir görevin hedefleri ve kuralları.

selective attention and behavioral inhibition are two sides of the same coin: Attention is the effect of biasing competition in favor of task-relevant information, and inhibition is the consequence that this has for the irrelevant information.
Seçici dikkat ve davranışsal yasaklama bir paranın iki yüzüdür. Dikkat, görevle ilişkili bilginin avantajına önzemin koşullama etkisidir, ve yasaklama bunun ilgisiz bilgiye etkiyen sonucudur.
In particular, we believe that PFC-mediated control is complemented by another form of control dependent on the hippocampal system. The hippocampus is important for binding together information into a memory of a specific episode (Eichenbaum et al 1999, McClelland et al 1995, Squire 1992, Zola-Morgan & Squire 1993).
Özellikle, PFC tarafından ayarlanan kontrol hippocompal sisteme bağımlı bir başka kontrol şekli ile tanımlanır. Hippocampus belirli bir episod(olay zinciri)’a özel bilgi bağlamak için önemlidir.

By contrast, we suggest that the PFC, like other neocortical areas, is more important for extracting the regularities across episodes—in the case of the PFC, those corresponding to goals and task rules, rather than episodic memories of actually performing the task.
Karşıt olarak, PFC’nin diğer neocortical alanlar gibi episodlar arasındaki düzenlilikleri çıkarmakta daha önemli olduğunu ileri sürüyoruz – PFC durumunda, görevi yerine getirmeğe ait episodik hatıraların kendisi değil hedef ve görev kurallarına denk düşenler.
We further posit that the PFC uses “activity-based” control; that is, its ongoing activity specifies the pattern of neural pathways that are currently needed. If PFC activity changes, so does the selected pattern of pathways.
Daha da öte, PFC’nin”faaliyet tabanlı” kontrol kullandığını ileri sürüyoruz; yani devam eden faaliyeti o anda ihtiyaç duyulan sinirsel patikalara göre belirler. Eğer faaliyet değişirse seçilen patika deseni de değişir.
By contrast, the hippocampus may provide a form of “weighted-based” control; it helps consolidate permanent associative links between the pieces of information that define a long-term memory (Cohen & O’Reilly 1996, O’Reilly et al 1999, O’Reilly 2000).
Karşıt olarak, hippocampus bir ağırlık tabanlı kontrol şekli sağlar; bir uzun dönem hatırasını belirleyen parçalar arasında kalıcı ilişkisel bağları sonuçlandırmağa yardım eder.
To use the railroad metaphor, the hippocampus is responsible for laying down new tracks and the PFC is responsible for flexibly switching between them. As noted below, interactions between the PFC and the hippocampus may provide a basis for understanding prospective forms of control, such as planning.
Demiryolu benzetmesini kullanırsak, hippocampus yeni yollar kurmaktan sorumludur ve PFC ise bunlar arasında esnek bir şekilde yol değiştirmekten sorumludur. Aşağıda not edildiği gibi, PFC ve hippocampus arasındaki etkileşimler planlama gibi ileriye yönelik kontrol biçimlerini anlamağa yardım eder.
Updating of PFC Representations
PFC Temsillerini Güncelleyiş
In the real world, cognitive control is highly dynamic...is highly flexible. So long as suitable representations exist within the PFC, activating them can quickly invoke a goal or rule, which can be flexibly switched to others as circumstances demand. That is, it is easier and faster (and perhaps less costly) to switch between existing tracks than it is to lay new ones down.
Gerçek dünyada muhakemesel kontrol yüksek derecede dinamiktir... ve esnektir. PFC içinde uygun temsiller bulunduğu sürece, çabukça bir hedef ya da kuralı harekete geçirebilir, koşullar gerektirdikçe bunlar başkaları ile değiştirilebilir. Yani, var olan yollar-izler arasında değişiklik yapmak daha çabuk ve hızlıdır (ve belki daha az yük getirir).
PFC representations are selectively responsive (adaptive) to task-relevant stimuli (Rainer et al 1998b), yet they are resistant to interference (robust) from distractors (Miller et al 1996).
PFC temsilleri görev ile ilişkili uyarılara seçici olarak (uyumlu9 yanıt vermekle kalmaz, dikkat bozucuların karışmalarına karşı da dirençlidirler.

Conversely, two hallmarks of damage to the PFC are perseveration (inadequate updating) and increased distractibility (inappropriate updating).
Karşıt olarak, PFC hasarının iki önemli belirtisi ısrar (yetersiz güncelleme) ve artmış dikkat dağınıklığı(uygunsuz güncelleme)dır;
Recent modeling work suggests that hierarchical updating and the sequencing of actions may rely on interactions between the PFC and the basal ganglia.
Son zamanlardaki araştırmalar hiyerarşik güncelleme ve eylemlerin sıralanışının PFC ve basal ganglia arasındaki etkileşimlere dayanabileceğini göstermiştir.