Нейронный шум помогает учиться

30.03.2015

Двадцать лет назад нейробиологи из Стэнфорда обнаружили у некоторых нейронов мозга странную шумовую активность: они реагировали на такие стимулы, которые, казалось, не имели к ним никакого отношения. И такая активность возникала именно тогда, когда мозг принимал какое-то решение. Сам же эксперимент состоял в следующем: подопытные животные должны были определить, как движутся точки на экране, справа налево или слева направо; в случае правильного ответа выдавалась награда. С помощью такой модели можно изучать, какие процессы в мозге сопровождают формирование категорий. Категоризация объектов и явлений - одна из самых общих особенностей психики, лежащая в основе обучения, и действительно было бы интересно узнать, что в этот момент происходит в мозге. В данном случае, как легко понять, нужно было выделить два класса объектов: те, что движутся в одну сторону, и те, что движутся в противоположную сторону.

В результате удалось обнаружить группу нейронов, реагирующих на движение, причем среди них были такие, которые становились особенно активны именно в момент принятия решения. Однако активность их выглядела так, как если бы одни клетки в ответ на точку кричали "справа налево!", а другие в ответ на ту же самую точку - "слева направо!", вне зависимости от того, куда на самом деле точка движется. Уровень шума снижался с помощью вознаграждения за правильный ответ - оно настраивало нейроны, делая их более разборчивыми и менее шумными, так что они начинали реагировать большей частью только на точки какой-то одной, "своей", категории. Причем особенно странно было то, что нейронный шум происходил вовсе не в тех участках коры, которые обычно связаны с принятием решения.

Зачем шумят нейроны в "непрофильном" отделе мозга, удалось отчасти выяснить только сейчас, с помощью компьютерной модели, разработанной Татьяной Энгил (Tatiana Engel) и ее коллегами; результаты их работы опубликованы в Nature Communications. Модель имитировала работу нейронных цепей, связывающих сенсорные области мозга с категоризирующими. Виртуальные нейроны "наблюдали" точки, которые двигались в разные стороны и которые нужно было распределить по таким же двум классам, "правому" и "левому" - как и в исходном эксперименте с животными.

Смоделированную нейронную цепь, в отличие от настоящей, можно лишить способности шуметь, что исследователи и сделали. Но оказалось, что без нейронного шума, сопровождающего выбор, невозможно формирование категорий. Иными словами, для того, чтобы в уме сформировался класс точек, движущихся справа налево, мозг должен делать выбор в "шумных" условиях, когда часть нейронов одновременно будут "агитировать" за неправильный ответ. Если отвлечься от точек и подобрать более жизненный пример, то представим, что вы каждое утро выбираете между чашкой кофе и чашкой чая. Вы делаете выбор каждый день в течение недели, двух недель, месяца, полугода, и в конце концов приходите к мысли, что утренняя чашка кофе - именно то, что надо. Но если вдруг случится так, что ваш мозг будет делать выбор без всякого шума, то у вас просто не сформируется связи между утренними часами и кофе, само понятие утреннего кофе будет отсутствовать.

Конечно, здесь есть большое искушение интерпретировать нейронный шум как "сомнение", или как "необходимость рассматривать все варианты решения из возможных". Впрочем, такие формулировки относятся, скорее, к области философии, которую мы пока вряд ли можем соотнести с конкретными нейрофизиологическими феноменами. Однако вполне может быть, что новые данные в будущем позволят создать какие-нибудь аппаратные методы, улучшающие когнитивные способности - через управление нейронным шумом. Но пока что предстоит выяснить, откуда он, собственно, берется: то ли это сенсорные отделы его генерируют, то ли его производят другие области мозга, которые непосредственно связаны с принятием решений, или же здесь задействованы и сенсорный, и когнитивный отделы вместе.

<< Назад: Звуковые процессоры xCORE-Audio 30.03.2015

>> Вперед: Дистанционное сканирование отпечатков пальцев 29.03.2015

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Ритм сердца влияет на восприятие и чувства 08.03.2026

Связь между сердцем и мозгом выходит далеко за пределы привычного представления о том, что сердце просто качает кровь. Новые исследования показывают, что сердечный ритм способен прямо влиять на восприятие внешнего мира и на эмоциональное состояние человека, открывая уникальный диалог между физиологией и сознанием. Работа сердца делится на две основные фазы: систолу и диастолу. Во время систолы сердечная мышца сокращается и выталкивает кровь в сосуды, а при диастоле сердце расслабляется, позволяя крови вернуться внутрь. Хотя мозг не управляет каждой конкретной фазой сокращений, он регулирует частоту сердечных сокращений в зависимости от состояния организма: в стрессовой ситуации пульс учащается, а в спокойном состоянии снижается. Однако взаимодействие между сердцем и мозгом двустороннее: мозг реагирует на сигналы от сердца так же, как сердце откликается на команды мозга. Международная группа исследователей проанализировала мозговую активность в зависимости от сердечного цикла. Они ...>>

Молекулы ДНК как новые носители данных 08.03.2026

С ростом объемов цифровой информации ученые ищут новые методы хранения данных, способные сочетать высокую плотность, долговечность и энергоэффективность. Одним из самых перспективных направлений становится использование молекул ДНК - естественного носителя генетической информации, который способен сохранять данные в течение тысяч лет при подходящих условиях. Недавние исследования показывают, что ДНК может стать не только архивом, но и полноценным перезаписываемым носителем информации. Исследователи из Университета Миссури создали систему, позволяющую записывать, стирать и повторно записывать данные в молекулах ДНК. Ранее ДНК использовалась в основном для долговременного архивирования информации, что делало носитель одноразовым. Новый подход превращает молекулярный носитель в полноценный цифровой накопитель с возможностью редактирования содержимого. Принцип работы устройства основан на естественном "языке" ДНК: в отличие от обычных компьютеров, где данные кодируются последовательн ...>>

Получение кислорода из лунного грунта 07.03.2026

Освоение Луны требует решения множества задач, связанных с обеспечением жизнедеятельности и функционированием оборудования в условиях ограниченных ресурсов. Одной из ключевых проблем является доставка кислорода с Земли, что значительно увеличивает стоимость и сложность космических миссий. Новые технологии позволяют получать кислород непосредственно на поверхности Луны, открывая путь к автономным и долговременным экспедициям. В центре исследований NASA находится метод извлечения кислорода из лунного реголита - рыхлого слоя измельченных пород, покрывающего поверхность спутника. Реголит содержит значительное количество окислов, включая окись железа и диоксид кремния, которые являются потенциальным источником кислорода. По оценкам специалистов, до 40% массы реголита приходится на химически связанный кислород. Ключевым элементом технологии является электролиз расплавленного реголита. Процесс предполагает пропускание электрического тока через сильно нагретый материал, что приводит к вы ...>>

Летающая электростанция S2000 07.03.2026

Развитие возобновляемой энергетики заставляет инженеров искать новые способы использования природных ресурсов. Одним из самых перспективных направлений остается ветровая энергия, однако традиционные наземные турбины имеют ряд ограничений. Их мощность зависит от условий у поверхности земли, а для установки таких установок требуется значительное пространство. Поэтому исследователи все чаще обращают внимание на более высокие слои атмосферы, где воздушные потоки значительно сильнее и стабильнее. Именно эту идею воплощает экспериментальная система S2000 - первая в мире летающая электростанция, предназначенная для выработки электроэнергии на большой высоте. Недавно в китайской провинции Сычуань был зафиксирован подъем необычного аппарата, внешне напоминающего дирижабль из научно-фантастических фильмов. На самом деле это высокотехнологичная энергетическая установка, способная улавливать энергию ветра примерно на высоте двух километров. Испытания проводились в городе Ибинь. Там инженеры ...>>

Газированная вода помогает поддерживать концентрацию геймеров 06.03.2026

Современный киберспорт требует от игроков не только быстрой реакции, но и способности долго сохранять высокий уровень концентрации. Во время продолжительных игровых сессий мозг испытывает значительную когнитивную нагрузку, что со временем приводит к утомлению и снижению точности принимаемых решений. Поэтому исследователи все чаще изучают способы поддержания внимания без использования сильных стимуляторов, таких как кофеин или сахар. Как выяснила команда ученызх в составе Шиона Такахаши, Ватара Косуги, Сейичи Мизуно и Такаши Мацуи, неожиданным помощником в поддержании концентрации может оказаться обычная несладкая газированная вода. Результаты их исследования показали, что сильно карбонизированная вода способна помогать геймерам сохранять ментальный фокус во время длительных игровых сессий. Примерно через три часа непрерывной игры у многих участников начинает проявляться так называемая когнитивная усталость. Она выражается в замедлении реакции, снижении точности решений и общем ос ...>>

Случайная новость из Архива Клетки многих вкусов 23.08.2020 Считается, что все разнообразие вкусов складывается из пяти основных, то есть из горького, соленого, кислого, сладкого и вкуса белка, или умами. Для каждого из них есть свои рецепторные клетки, которые чувствуют только сладкое, или только соленое, и т. д., и вот из комбинаций сигналов от этих очень специализированных рецепторов получается сложная вкусовая картина. Однако кроме очень специализированных вкусовых клеток есть и не очень специализированные. Например, не так давно стало известно, что рецепторы кислого вкуса чувствуют еще и вкус воды (что говорит еще и о том, что пятью основными вкусами дело не исчерпывается). Эксперименты сотрудников Университета штата Нью-Йорк в Баффало говорят о том, что некоторые вкусовые клетки могут чувствовать больше двух вкусов. Выключая у мышей специализированные клетки какого-то одного вкуса, исследователи обнаружили, что этот вкус все равно ощущается - то есть его принимают какие-то другие клетки. Такие клетки удалось обнаружить: они действительно реагировали на широкий спектр молекул с горьким, сладким, кислым и белковым вкусом. При этом "клетки многих вкусов" оказались необходимы для того, чтобы мозг воспринимал сигналы от "клеток одного вкуса". У всякой рецепторной клетки есть специальный молекулярный аппарат, благодаря которому сигнал из внешней среды передается в мозг. И вот когда у мышиных "клеток многих вкусов" отключали белок, без которого они не могли оповестить мозг ни о каком вкусе, то мозг переставал воспринимать сигналы от клеток, реагирующих только на один вкус, хотя у "клеток одного вкуса" никто ничего не отключал. Мышь с отключенными "клетками многих вкусов" продолжала пить горькую воду, хотя о неприятной горечи ее должны были оповестить специализированные клетки горького вкуса. Вероятно, те вкусовые клетки, которые чувствуют много вкусов, не просто чувствуют все эти вкусы, но и помогают координируют сигналы, поступающие от специализированных вкусовых клеток. В таком случае нейробиология вкусовых ощущений оказывается намного сложнее, чем нам казалось. Чего, впрочем, следовало ожидать: чтобы из пяти основных вкусов получилось все огромное разнообразие вкусовых ощущений, вкусовые рецепторы должны как-то очень сложно взаимодействовать друг с другом, и нервные сигналы от них должны сложным образом влиять друг на друга.

Смотрите полный Архив новостей науки и техники, новинок электроники

www.diagram.com.ua
2000-2026