Случайные колебания мозговой активности помогают стабилизировать воспоминания

Случайный шум, такой как фоновый гул во время телефонного звонка, обычно считается нежелательным вмешательством. Теперь исследователи из Columbia Engineering обнаружили, что мозг может использовать неизбежные случайные колебания своей активности для выполнения полезных вычислений, особенно в задачах, полагающихся на память. Эти результаты не только углубляют наше понимание того, как работает мозг, но и могут предоставить план для создания более умных и устойчивых технологий, говорит исследовательская группа. Статья с результатами исследования была опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Мозговая активность наполнена случайной, непредсказуемой изменчивостью. «Несмотря на это, мозг преуспевает в когнитивных процессах, таких как память и принятие решений», — говорит ведущий автор исследования Нуттида Рунгратсамеетавимана из Колумбийского инженерного университета. «Как ему это удается? Мешает или помогает шум?»

Предыдущие работы по системам искусственного интеллекта, имитирующим мозг, известным как нейронные сети, предполагали, что введение случайных колебаний в их активность может фактически улучшить их производительность, когда они учатся выполнять задачу. Однако это предыдущее исследование проводилось на относительно простых нейронных сетях, что ставит под вопрос, насколько этот эффект может фактически играть роль в реальной жизни.

В новом исследовании Рунгратсамеетавимана и ее коллеги разработали более биологически правдоподобные нейронные сети, включающие модули, имитирующие возбуждающие и тормозные нейроны, которые соответственно увеличивают и подавляют общую активность мозга.

«Это исследование опиралось на мощные вычислительные ресурсы, предоставленные Лабораторией системного интеллекта при поддержке Columbia Engineering», — говорит она. «Эти вычислительные возможности позволили нам исследовать сложную нейронную динамику в беспрецедентных подробностях».

Когда исследователи включили случайный шум в эти системы во время их обучения, «мы обнаружили, что случайный шум, который часто воспринимается как препятствие, которое необходимо преодолеть, на самом деле может иметь важное значение для того, как мозг выполняет критические вычисления, такие как запоминание», — говорит она.

В частности, шум, по-видимому, увеличивает количество времени, необходимое для ослабления связей тормозных нейронов с другими нейронами. Этот замедляющий эффект, в свою очередь, стабилизирует нейронные паттерны активности, связанные с воспоминаниями, помогая им сохраняться с течением времени.

«Ваш мозг не блокирует шум — он работает с ним, интегрируя случайность, чтобы стабилизировать вашу память», — говорит Рунгратсамеетавимана. «Для меня этот проект подчеркивает красоту сложности и показывает, как даже то, что кажется случайным, играет значимую роль в природе».

«Вопреки традиционному мнению о том, что случайный шум в мозге ослабляет память, это исследование показывает, что такие колебания на самом деле могут повышать стабильность памяти», — говорит  Алекс Уильямс из Центра нейронауки Нью-Йоркского университета и Центра вычислительной нейронауки Института Флэтайрон в Нью-Йорке, который не принимал участия в этом исследовании. «Это исследование является прекрасным примером того, как вычислительные модели могут предоставить нам контринтуитивные идеи по давним научным вопросам, таким как: «Как мы сохраняем воспоминания в течение многих лет или даже десятилетий? Насколько надежными могут быть наши воспоминания? Можем ли мы использовать естественные свойства нейронов, такие как случайность, для повышения производительности памяти?»

Эти новые открытия могут помочь вдохновить на разработку систем искусственного интеллекта, которые более адаптивны и лучше оснащены для работы с неопределенностью реального мира. Они могут включать роботов, работающих в динамических средах, или инструменты здравоохранения, которые отслеживают тонкие, долгосрочные изменения в данных пациентов, говорит Рунгратсамеетавимана.

Кроме того, эта работа может помочь ученым понять роль, которую реальная изменчивость мозга может играть в познании человека как в здоровом состоянии, так и при таких заболеваниях, как болезнь Альцгеймера, шизофрения и синдром дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ), говорит Рунгратсамеетавимана. Она и ее коллеги также хотят изучить роль, которую шум может играть в когнитивных задачах за пределами памяти, таких как внимание, принятие решений или интеграция сложных сенсорных входов. «Эти функции, как и память, зависят от способности мозга стабилизировать и обрабатывать информацию среди присущей ему изменчивости», — объясняет она.

Кроме того, эти результаты могут также помочь улучшить методы нейростимуляции и нейромодуляции, которые используют тщательно контролируемые сигналы для взаимодействия с мозговой активностью. «Мы особенно рады исследовать, как такие сигналы могут работать в гармонии с естественной изменчивостью мозга для улучшения определенных вычислений, таких как укрепление памяти у пациентов с когнитивными нарушениями», — добавляет она.