В России создана новая нейромодель клеток головного мозга

Группа учёных из России, Англии и Испании доказала, что нейронные сети головного мозга копируют структуру биологических систем и превосходят людей в распознавании образов, на примере девятой симфонии Бетховена.

rusplt.ru

Рос­сий­ские уче­ные Уни­вер­си­те­та Лоба­чев­ско­го сов­мест­но с зару­беж­ны­ми кол­ле­га­ми впер­вые тео­ре­ти­че­ски обос­но­ва­ли суще­ство­ва­ние кон­цеп­ту­аль­ных кле­ток. Это отдель­ные ней­ро­ны, каж­дый из кото­рых отве­ча­ет за свое абстракт­ное поня­тие, напри­мер музы­каль­ную ноту «ля». Уче­ные пока­за­ли их рабо­ту на при­ме­ре девя­той сим­фо­нии Бет­хо­ве­на.

Дока­за­тель­ство суще­ство­ва­ния таких кле­ток опро­вер­га­ет рас­про­стра­нен­ную тео­рию, утвер­жда­ю­щую, что воз­ник­но­ве­ние абстракт­ных поня­тий в моз­ге про­ис­хо­дит исклю­чи­тель­но бла­го­да­ря акти­ва­ции боль­ших ком­плек­сов ней­ро­нов. Это так­же может сыг­рать очень важ­ную роль в раз­ви­тии искус­ствен­ных ней­рон­ных сетей.

Со слов руко­во­ди­те­ля про­ек­та по гран­ту РНФ, кан­ди­да­та физи­ко-мате­ма­ти­че­ских наук, стар­ше­го науч­но­го сотруд­ни­ка отде­ла фун­да­мен­таль­ных и при­клад­ных иссле­до­ва­ний Цен­тра транс­ля­ци­он­ных тех­но­ло­гий Вале­рия Мака­ро­ва, мозг любо­го живо­го суще­ства очень сло­жен.

«Клю­че­вую роль в рабо­те моз­га игра­ют ней­ро­ны — клет­ки нерв­ной систе­мы, кото­рые отве­ча­ют за при­ем, обра­бот­ку, хра­не­ние и пере­да­чу сиг­на­лов. Сей­час в нау­ке рас­про­стра­не­но мне­ние, что появ­ле­ние абстракт­ных поня­тий в чело­ве­че­ском моз­ге тре­бу­ет слож­но­го и иде­аль­но орга­ни­зо­ван­но­го вза­и­мо­дей­ствия мно­гих ней­ро­нов. Одна­ко суще­ству­ет гипо­те­за, что за подоб­ные зада­чи могут отве­чать так назы­ва­е­мые кон­цеп­ту­аль­ные клет­ки. Это отдель­ные ней­ро­ны, в оди­ноч­ку фор­ми­ру­ю­щие абстракт­ные поня­тия, на кото­рых они спе­ци­а­ли­зи­ру­ют­ся, напри­мер, имя чело­ве­ка. Так, ранее был уста­нов­лен «ней­рон Джен­ни­фер Эни­стон», кото­рый акти­ви­ро­вал­ся вся­кий раз, когда на экра­не воз­ни­кал порт­рет актри­сы. Такие ней­ро­ны, кото­рые реа­ги­ру­ют на предъ­яв­ле­ние како­го-либо обра­за, назы­ва­ют «бабуш­ки­ны клет­ки», – ком­мен­ти­ру­ет Вале­рий Мака­ров

Уче­ные пред­по­ла­га­ют, что кон­цеп­ту­аль­ные клет­ки могут играть важ­ную роль и в эпи­зо­ди­че­ской памя­ти. Их суще­ство­ва­ние ста­вит под сомне­ние рас­про­стра­нен­ную гипо­те­зу, что слож­ные когни­тив­ные про­цес­сы тре­бу­ют иде­аль­но орга­ни­зо­ван­но­го вза­и­мо­дей­ствия мно­же­ства ней­ро­нов.

Рос­сий­ские уче­ные Уни­вер­си­те­та Лоба­чев­ско­го сов­мест­но с зару­беж­ны­ми кол­ле­га­ми впер­вые соста­ви­ли модель, ими­ти­ру­ю­щую рабо­ту ней­ро­нов в гип­по­кам­пе. Это часть моз­га, кото­рая отве­ча­ет, в част­но­сти, за память и ори­ен­та­цию в про­стран­стве.

«С помо­щью мате­ма­ти­че­ских рас­че­тов мы опре­де­ли­ли три фун­да­мен­таль­ных прин­ци­па, кото­рые обес­пе­чи­ва­ют высо­кие когни­тив­ные спо­соб­но­сти отдель­ных кле­ток. Во-пер­вых, это стро­гая иерар­хия ней­рон­ных сло­ев. Мы иссле­до­ва­ли свя­зи меж­ду селек­тив­ным и кон­цеп­ту­аль­ным сло­я­ми ней­ро­нов. Пер­вый выде­лял сиг­на­лы, а вто­рой их обра­ба­ты­вал и свя­зы­вал с абстракт­ны­ми поня­ти­я­ми. Во-вто­рых, мы обра­ти­ли вни­ма­ние на свя­зи одно­го ней­ро­на кон­цеп­ту­аль­но­го уров­ня с мно­же­ством при­ни­ма­ю­щих ней­ро­нов. В-тре­тьих, важ­ную роль игра­ет синап­ти­че­ская пла­стич­но­сть, то есть изме­не­ние силы пере­да­чи инфор­ма­ции меж­ду ней­ро­на­ми. Эти тео­ре­ти­че­ские прин­ци­пы поз­во­ля­ют клет­кам кон­цеп­ту­аль­но­го слоя обу­чать­ся и зна­чи­тель­но уве­ли­чи­вать свои когни­тив­ные спо­соб­но­сти, в резуль­та­те чего они ста­но­вят­ся кон­цеп­ту­аль­ны­ми клет­ка­ми», – пояс­ня­ет Вале­рий Мака­ров

Авто­ры иссле­до­ва­ния исполь­зо­ва­ли музы­каль­ные ноты, что­бы про­ил­лю­стри­ро­вать воз­мож­но­сть тако­го раз­ви­тия. Они соста­ви­ли ней­рон­ную сеть из 3200 кле­ток на селек­тив­ном уров­не и 1600 на кон­цеп­ту­аль­ном. Клет­ки фик­си­ро­ва­ли восе­мь раз­ных зву­ко­вых волн, в каж­дой из кото­рых было по восе­мь фазо­вых сдви­гов, то есть коле­ба­ний. Ней­ро­ны вос­при­ни­ма­ли эти коле­ба­ния как отдель­ные сиг­на­лы, поэто­му на один сиг­нал при­хо­ди­лось око­ло 50 ней­ро­нов при­ни­ма­ю­ще­го уров­ня. Изна­чаль­но они могли вос­при­ни­мать широ­кий круг слу­чай­ных сиг­на­лов, но после обу­че­ния их область дей­ствия сужа­лась и спе­ци­а­ли­зи­ро­ва­лась. Как пока­зал экс­пе­ри­мент с девя­той сим­фо­ни­ей Бет­хо­ве­на, при­ни­ма­ю­щие ней­ро­ны улав­ли­ва­ли отдель­ные зву­ко­вые вол­ны, а на кон­цеп­ту­аль­ном уров­не клет­ки обра­ба­ты­ва­ли полу­чен­ную инфор­ма­цию и опре­де­ля­ли, какая имен­но нота про­зву­ча­ла, дей­ствуя как кон­цеп­ту­аль­ные клет­ки.

«Совре­мен­ные ней­рон­ные сети копи­ру­ют струк­ту­ру био­ло­ги­че­ских систем. В резуль­та­те это­го они уже пре­вос­хо­дят людей в рас­по­зна­ва­нии обра­зов, но пока отста­ют в когни­тив­ных спо­соб­но­стях. Поэто­му для даль­ней­ше­го раз­ви­тия этой обла­сти необ­хо­ди­мо луч­ше пони­мать, как мозг осо­зна­ет инфор­ма­цию. Обна­ру­же­ние кон­цеп­ту­аль­ных кле­ток, суще­ство­ва­ние кото­рых тепе­рь мож­но обос­но­вать с помо­щью трех фун­да­мен­таль­ных прин­ци­пов, может иметь огром­ное зна­че­ние для ней­ро­био­ло­гии и тео­рии ней­рон­ных сетей», — про­ком­мен­ти­ро­вал Вале­рий Мака­ров

Рабо­та опуб­ли­ко­ва­на в жур­на­ле Scientific Reports. Иссле­до­ва­ние под­дер­жа­но Рос­сий­ским науч­ным фон­дом (РНФ).

Иссле­до­ва­ние про­во­ди­лось сов­мест­но с уче­ны­ми из уни­вер­си­те­та Лесте­ра (Англия) и Мад­рид­ско­го уни­вер­си­те­та Ком­плу­тен­се (Испа­ния).