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:

Поцелуи полезны для здоровья 01.03.2026

Вопрос о том, как социальные связи и близость с партнером отражаются на здоровье человека, привлекает внимание не только психологов, но и специалистов в области микробиологии. Новое исследование показывает, что совместное проживание с любимым человеком может оказывать значительное влияние на микробиом кишечника и общее самочувствие. Доктор Наоми Миддлтон, клинический психологи и эксперт по здоровью кишечника, объяснила, что все аспекты совместной жизни - поцелуи, совместное питание, физическая близость и даже просто пребывание рядом - тесно связаны с поддержанием сбалансированной кишечной микрофлоры. Она подчеркивает, что здоровье экосистемы кишечника во многом определяется социальными взаимодействиями и повседневной близостью с другими людьми. По словам Миддлтон, длительное совместное пребывание с партнером может способствовать увеличению микробного разнообразия в кишечнике, а также снижать воспалительные процессы, связанные со стрессом. Такой эффект обусловлен тем, что микробио ...>>

Управление снами для решения важных задач 01.03.2026

Сны на протяжении веков привлекали внимание философов, психологов и ученых, вызывая вопросы о том, насколько они отражают нашу реальность и могут ли влиять на мышление. Новое исследование нейробиологов из Northwestern University показывает, что содержание человеческих сновидений можно частично направлять, а фаза быстрого сна (REM) играет ключевую роль в творческом мышлении и поиске нестандартных решений. В эксперименте ученые использовали метод целенаправленной реактивации памяти (TMR). Пока участники спали, им подавали звуки, ассоциированные с головоломками, предложенными им ранее. Сигналы включались только после подтверждения мозговой активности, указывающей на фазу быстрого сна. В результате 75% испытуемых сообщили о появлении во сне образов или идей, связанных с нерешенными задачами. При этом головоломки, "проникшие" в сновидения, решались значительно чаще: 42% против 17% у задач, которые не фигурировали во сне. Исследователи подчеркивают, что это не прямое доказательство тог ...>>

Новый томат с повышенным содержанием витамина A 28.02.2026

Проблема дефицита витамина A остается одной из глобальных задач здравоохранения, особенно в регионах с ограниченным доступом к разнообразной пище. Недавние достижения биотехнологий позволяют создавать продукты, способные существенно улучшить питание населения, и одним из таких примеров стал новый томат, обогащенный витамином A. Исследователи из Университета Флориды разработали сорта томатов с повышенным содержанием бета-каротина - вещества, которое организм преобразует в витамин A. Работа была выполнена Джингвеем Фу, Дениз Тиеман и Баллой Ратиноспати в Институте пищевых и аграрных наук UF/IFAS. Созданные помидоры отличаются существенно более высоким уровнем бета-каротина по сравнению с обычными сортами, а также с продуктами, традиционно богатыми этим соединением, такими как сладкий картофель и капуста. По словам профессора Ратинасабапати, регулярное употребление всего 50-100 граммов этих обогащенных томатов может покрыть суточную потребность человека в витамине A, что делает их п ...>>

Акула в водах Антарктики 28.02.2026

Исследования океанов продолжают удивлять ученых, демонстрируя, что даже в самых суровых и изолированных районах нашей планеты жизнь может быть гораздо более разнообразной, чем считалось ранее. Недавняя экспедиция у берегов Антарктиды зафиксировала крупную акулу, что ставит под сомнение многолетнее убеждение о полной "безопасности" этих холодных вод для крупных хищников. Съемка велась в январе 2025 года на глубине около 490 метров. Камеры зафиксировали массивный силуэт длиной до четырех метров, который медленно скользил вдоль морского дна. Ученые описали его как "неуклюжую бочку", движущуюся в тусклом свете камер. Температура воды на этой глубине составляла всего 1,27 °C - показатели, при которых существование акул ранее считалось невозможным. По словам исследователя Алана Джеймисона, открытие стало полной неожиданностью. До этого момента акул в Антарктике никто не наблюдал, а климатические и химические условия воды считались слишком экстремальными для их выживания. Это заставляет ...>>

Ученые выявили новый механизм регенерации клеток 27.02.2026

В последние годы биология клеток сделала значительный шаг вперед, позволяя понять, как ткани восстанавливаются после повреждений и какие внутренние ресурсы активируются для поддержания их функций. Недавнее исследование продемонстрировало ранее неизвестный механизм, благодаря которому клетки могут мобилизовать скрытые возможности для регенерации, открывая новые перспективы для разработки терапевтических стратегий. Фокус работы сосредоточен на молекулярных процессах, связанных с экспрессией генов, то есть реализацией наследственной информации через синтез РНК и белков. Ученые обнаружили дополнительный уровень регуляции, который определяет активность клеток, координируя сигнальные пути и ответ на внешние стимулы. Нарушение этих процессов, как выяснилось, может приводить к развитию различных патологий. Для изучения механизма исследователи использовали методы молекулярной биологии в сочетании с высокоточной визуализацией, что позволило наблюдать взаимодействие белковых комплексов в ре ...>>

Случайная новость из Архива Деревья помогают с городской жарой 09.07.2019 Ученые выяснили, что растения, деревья и светоотражающие материалы помогут бороться с экстремальной жарой в городских районах. Явление повышения температур в районах с большим числом зданий и тротуаров известно как эффект городского острова тепла. Предыдущие исследования показывают, что городские острова тепла связаны с высоким уровнем загрязнения и ухудшением здоровья, особенно у пожилых, маленьких детей и людей с низким уровнем доходов. Исследователи из Университета Портленда нашли несколько способов снизить ощущение высокой температуры в городах. Они использовали компьютерное моделирование, чтобы установить температуры воздуха, которые могут возникать в тех или иных районах города в зависимости от различных факторов. Оказалось, температура падает, если в районе есть растительность, установлены зеленые крыши или для кровли и асфальта использованы материалы, отражающие тепло. Специалисты провели компьютерное моделирование Портленда, но эта программа может помочь и другим городам в борьбе с их островами тепла. Посредством этого алгоритма ученые построили карты города, показывающие каждый земельный участок, уровень его загрязнения, процент растительного покрова и многое другое. Также исследование показало, что применяемые властями меры по изменению облика города повышают показатели жары на улицах. Например, выяснилось, что асфальтирование мест, на которых ранее росло много деревьев, может повысить температуру на 14 градусов в летний день. Соседние районы будут также испытывать побочное действие.

Смотрите полный Архив новостей науки и техники, новинок электроники

www.diagram.com.ua
2000-2026