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. 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).
