Количество нейронов мозга ограничено, но ему нужно запомнить множество вещей

Фото из открытых источников

Как мозг справляется с таким огромным объемом информации? Исследование на мышах предполагает, что нейроны могут переключать свои функции в зависимости от изменения требований к памяти. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Neuroscience.

За один поход в продуктовый магазин вы держите в голове рецепт, помните, где, по словам продавца, находится мука, и пересчитываете купюры на кассе. Каждый из этих этапов представляет собой разный тип информации, и количество ячеек, доступных для ее хранения, фиксировано.

Новое исследование на мышах показало, что отдельный набор нейронов не требуется. Небольшая нейронная сеть в передней части мозга удерживала звук в один момент выполнения задачи и план движения в следующий. Другими словами, нейронной сети памяти не нужно заботиться о том, что она хранит.

«Мы обнаружили, что мозг не выделяет отдельную группу нейронов для каждого типа информации», — объясняет ведущий автор исследования Юма Осако из Массачусетского технологического института (MIT). «Вместо этого он использует одни и те же популяции нейронов для выполнения одних и тех же вычислений над различными типами информации». Одна и та же горстка клеток может хранить память о действии и звуке.

Специалисты в области компьютерных наук создали искусственные нейронные сети, которые выполняют множество задач, объединяя несколько специализированных компонентов, каждый из которых выполняет отдельную функцию, заимствованную другими задачами. Вопрос о том, работают ли реальные нейронные сети таким образом, оставался открытым.

«Одно из предлагаемых решений — это идея композиционности, то есть возможность брать фрагменты когнитивных процессов, выполняющие часть задачи, и повторно использовать их в другой задаче», — говорит соавтор исследования профессор Тимоти Бушман из Принстонского института нейронаук.

В прошлом году лаборатория Бушмана показала, что животные собирают мозговые цепи из отдельных частей во время сортировки, и его группа называет эти части когнитивным конструктором Lego.

Никто не показал, что одна и та же нейронная сеть выполняет одну и ту же работу над двумя несвязанными вещами в два разных момента времени. Исследователи, изучающие гибкое познание, в основном обнаружили, что мозг повторно использует представление, а не вычисления.

Задание легко описать, но сложно выполнить. Мышь слышит короткий тон, высокий или низкий, а затем секунду тишины. Звучит второй тон, и после еще одной секунды тишины животное сообщает, совпали ли два звука, облизывая носик или оставаясь неподвижным.

За каждое правильное действие полагалась капля воды. За ошибку - поток воздуха и семисекундный тайм-аут.

В этой структуре и заключается суть эксперимента. Во время первой паузы мышь удерживает звук. Во время второй она уже нашла ответ и принимает решение относительно своего языка.

Мыши правильно ответили примерно на три четверти заданий, причем время ответа составляло приблизительно 139 тысячных секунды. Более ранние версии этого задания выполнялись медленнее, что позволило исследователям предположить, что животные выработали план еще до того, как фонтанчик оказался в пределах досягаемости.

В ходе экспериментов на мышах тонкие электроды регистрировали активность 515 нейронов в префронтальной коре головного мозга у шести животных. В теменной коре, отвечающей за восприятие ощущений и движений, были зарегистрированы еще 241 нейрон у четырех животных.

Затем команда обучила программу, которая, основываясь только на характере активности нейронов, могла угадать, какой тон только что услышала мышь и как она собирается ответить. Если один характер активности предсказывает тон во время первой паузы и выбор во время второй, то эти клетки выполняют две функции.

В теменной коре два паттерна памяти оставались раздельными. В префронтальной коре они совпадали, и их перекрытие увеличивалось с каждой паузой.

Исследователи обнаружили сигналы, связанные с принятием решений, в неожиданных уголках мозга мышей, и этот сигнал оказался там, где обычно происходит планирование.

Это совпадение отражало результаты. Мыши, у которых префронтальные паттерны имели наибольшее сходство, давали больше правильных ответов, а в теменной коре такой зависимости не наблюдалось.

Сортировка отдельных нейронов по характеру их активации выявила четыре группы в префронтальной коре и три в теменной коре. Одна группа из 312 клеток в префронтальной коре отвечала за воспроизведение тонов. Отдельная группа из 77 клеток отвечала за воспоминания, обе группы.

Запись активности нейрона не доказывает его значимость, поэтому команда обучила искусственные нейронные сети копировать активность этих двух префронтальных нейронных цепей головного мозга, а затем отключила отдельные участки этих сетей.

Отключение группы тонального сигнала во время его подачи снижало производительность. Отключение группы памяти во время паузы давало тот же результат. Отключение любой из них в момент, когда ей нечего было делать, ничего не стоило, и эта закономерность сохранялась в 20 сетях.

Команда также перерезала проводку, идущую от группы тонального сигнала к группе памяти во время подачи звукового сигнала. Производительность снова снизилась, что переносит переключение между модулями в саму схему, а не в процесс анализа.

В паттернах памяти обнаружилась одна странность. Низкие тона совпадали с облизыванием, а высокие — с неподвижным положением тела в 14 из 15 сессий записи. Мыши сначала выучили пары низких тонов, и нейронные сети, получившие такое же неравномерное обучение, усвоили тот же самый перекос.

Биологические данные были получены от мышей, тогда как эксперименты по отключению проводились в симуляции, а не на животных. Только префронтальная кора выглядела четко модульной.

Теменные нейроны смешивают функции таким образом, что данный анализ не смог бы их разделить, поэтому модуль может существовать, но при этом быть нечитаемым.

Более существенный вопрос заключается в происхождении этих модулей. Мышь не рождается способной выполнять эту задачу, и авторы пишут, что вопрос о том, являются ли эти кластеры приобретенными или уже существующими, остается открытым.

«Когда мыши выполняют задания, проверяющие возможность повторного использования вычислительных операций, выполняемых с помощью памяти, ответ — да», — говорит соавтор исследования Мриганка Сур из Института Пиковера по изучению обучения и памяти при Массачусетском технологическом институте.

Теперь команда Осако планирует отключать модули у живых животных на разных этапах выполнения задания. Этот эксперимент покажет, выполняют ли эти группы работу или только сообщают о ней, и разделяет ли мозг воспоминания по содержанию или по времени.