Человеческие клетки мозга оказались гораздо мощнее, чем считали ученые

Фото из открытых источников

Новое исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), показывает, что отдельные человеческие нейроны могут выполнять гораздо более сложные вычисления, чем нейроны других млекопитающих. Это открытие открывает новый взгляд на то, что может делать человеческий мозг таким необычным. Как человеческий мозг вырабатывает такие способности, как язык, воображение, математика и изобретательность?

Десятилетиями учёные в основном обращались к размеру и связности в поисках ответа. Человеческий мозг содержит около 100 миллиардов нейронов, связанных огромной сетью связей. Однако новые исследования показывают, что ещё одна важная часть объяснения может быть обнаружена на гораздо меньшом уровне — в удивительных вычислительных способностях отдельных клеток мозга.

Человеческие нейроны — мощные информационные процессоры

Исследователи обнаружили, что нейроны в коре человека функционируют как значительно более сложные единицы обработки информации («микрочипы»), чем аналогичные клетки других млекопитающих. Результаты позволяют предположить, что отдельные строительные блоки человеческой коры обладают необычайно мощной силой, что может объяснить, почему у человека развились исключительные когнитивные способности.

Исследование возглавляли исследователи из Еврейского университета, профессоры Идан Сегев и Микки Лондон, а также аспиранты Идо Айзенбуд и Даниэла Йоэли в Центре наук о мозге Эдмонда и Лили Сафры (ELSC). Команда также сотрудничала с профессором Крисом де Коком из Свободного университета Амстердама.

«Люди часто представляют нейрон как простой переключатель, который либо включается, либо выключается», — сказал Сегев. «Мы показываем, что один человеческий нейрон сам по себе является чрезвычайно сложным вычислительным устройством.»

Измерение вычислительной мощности мозговой клетки

Чтобы изучить, сколько вычислений может выполнять один нейрон, исследователи разработали новый метод измерения вычислительной сложности отдельных клеток мозга. Они объединили продвинутое компьютерное моделирование с искусственным интеллектом, чтобы определить, насколько сложно продвинутой искусственной нейронной сети (АНС) будет изучить и воспроизвести связь между информацией, поступающей в нейрон, и ею реакцией.

Основная идея проста. Если искусственному «близнецу» требуется большая сложность для имитации поведения биологического нейрона, то сам биологический нейрон обладает большей вычислительной мощностью.

Результаты показали поразительное преимущество нейронов в коре человека. Их богато ветвящиеся дендритные деревья и отличительные электрические характеристики позволяют им выполнять удивительно сложные вычисления поступающей информации, включая визуальный ввод (например, различение изображений кошек и собак).

Другими словами, отдельный человеческий кортикальный нейрон — это гораздо больше, чем просто базовый компонент «включение-выключение». Каждая ячейка может работать как самостоятельная вычислительная единица с вычислительными возможностями, сопоставимыми с возможностями глубокой нейронной сети.

Новый взгляд на человеческий интеллект

Эти результаты ставят под сомнение давнее представление о том, что интеллект возникает прежде всего из-за огромного количества нейронов в мозге и связей, соединяющих их. Вместо этого исследования предполагают, что сложность отдельных нейронов также могла существенно повлиять на эволюцию человеческого мышления.

Исследователи также разработали систематическую и широко применимую структуру для связи физической структуры клеток мозга с тем, что эти клетки способны вычислять. Такой подход может помочь учёным приблизиться к пониманию того, как человеческий мозг вырабатывает мысли, обучение и когницию.

Человеческие нейроны могут вдохновлять на создание нового ИИ

Результаты также могут повлиять на будущее искусственного интеллекта. Современные ведущие системы машинного обучения построены на основе сильно упрощённых искусственных устройств. Новое исследование указывает на другую возможность: ИИ, вдохновлённый мозгом, созданный из искусственных единиц, которые сами по себе вычислительно глубокие и мощные, более похожие на возможности биологических нейронов.