Ткань пространства-времени в нейронных сетях мозга
Нейробиологи из Бернштейн-центра Фрайбурга (BCF) и Королевского технологического института в Стокгольме (KTH) расшифровали важный процесс в мозге, который частично определяет поведение живых существ. «Одним из базовых условий для осмысленного поведения является способность сетей мозга генерировать строго определённые последовательности нейронной активности», — говорит профессор Ад Аертсен.
Эксперименты последних лет показали, что поведение животных сопровождается последовательной активностью нейронов в разных областях мозга. Существующие модели для объяснения этого феномена в основном основаны на методах обучения с учителем. «Однако мы знаем, что не всякое поведение является выученным. Врождённое поведение предполагает, что мозг генерирует определённые последовательности без обучения», — отмечает руководитель исследования Арвинд Кумар.
Исследователи выяснили, как нетренированный мозг может генерировать упорядоченные последовательности активности. Для этого необходимо выполнение двух условий:
- Небольшая часть выходных проекций нейронов (их связей с последующими нейронами) должна иметь предпочтительное направление.
- Соседние нейроны должны разделять это предпочтительное направление.
«Это означает, что связи нервных клеток зависят от направленных предпочтений и пространственно связаны друг с другом. Это ключ к генерации последовательной активности в нейронных сетях», — объясняет Себастьян Шпрейцер.
Если сеть устроена по этим правилам, она создаёт своеобразный «ландшафт активности», подобный географическим холмам и долинам. Последовательности нейронной активности в этой метафоре подобны рекам в ландшафте. Небольшие изменения в пространственной структуре связей нейронов генерируют определённые временные и пространственные последовательности активности.
Интересно, что нейромодуляторы — химические вещества, такие как дофамин, — могут динамически, в зависимости от контекста, создавать в мозге необходимую для этого связность. Это даёт сети возможность генерировать разные последовательности активности. Однако не все они будут функционально значимы. Исследователи пришли к выводу, что механизмы обучения могут развиваться для отбора «вознаграждаемых» последовательностей, делая возможным осмысленное поведение.