Цивилизация
Ученые 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. Работа опубликована в журнале Scientific Reports. Исследование поддержано Российским научным фондом (РНФ).
Мозг любого живого существа очень сложен. Ключевую роль в его работе 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. Наряду с ними есть клетки, которые отвечают за образы. 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».
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 из Национального исследовательского Нижегородского государственного университета имени Н. И. Лобачевского совместно с зарубежными коллегами впервые теоретически обосновали существование концептуальных клеток. Они составили модель, имитирующую работу нейронов в гиппокампе. Это часть мозга, которая отвечает, в частности, за память и ориентацию в пространстве. С помощью математических расчетов авторы исследования определили три фундаментальных принципа, которые обеспечивают высокие когнитивные способности отдельных клеток.
Во-первых, это строгая иерархия нейронных слоев. Ученые исследовали связи между селективным и концептуальным слоями нейронов. Первый выделял сигналы, а второй их обрабатывал и связывал с абстрактными понятиями. Во-вторых, исследователи 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.
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 мы смогли теоретически обосновать с помощью трех фундаментальных принципов, может иметь огромное значение для нейробиологии и теории нейронных сетей», — прокомментировал Валерий Макаров, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела фундаментальных и прикладных исследований Нижегородского государственного университета имени Н. И. Лобачевского.
