Каждый нейрон коры мозга — не логический элемент, а сложный микрокомпьютер, доказали ученые
Для имитации работы одного пирамидного нейрона потребовалась глубокая искусственная нейросеть.
Вычислительные нейробиологи из Еврейского университета в Иерусалиме и Свободного университета Амстердама смоделировали работу отдельных нейронов коры головного мозга крысы и человека в виде искусственной нейросети, запущенной на суперкомпьютере. Результаты исследования опубликованы Proceedings of the National Academy of Sciences.
Довольно долго впечатляющие возможности человеческого мозга объяснялись исключительно количественными масштабами — очевидно, вычислительные мощности 86 миллиардов нейронов, соединенных триллионами связей, должны быть очень велики. Каждый же из нейронов представлялся сравнительно простым — чем-то вроде логического вентиля.
«Люди часто представляют нейрон как простой переключатель, который либо включен, либо выключен. Мы же показываем, что отдельная человеческая нервная клетка — это сама по себе чрезвычайно сложное вычислительное устройство», — говорит профессор Идан Сегев, руководивший исследованием.
Для сравнения взяли 3D-модели 12 пирамидных нейронов из разных слоев коры головного мозга человека, вырезанных в ходе нейрохирургических вмешательств, и, для сравнения, крысы. На основе этих данных построили и обучили трехслойные сверточные нейросети, чтобы они максимально воспроизводили функции исходных клеток.
Индекс функциональной сложности человеческого нейрона оказался в среднем в 1,7 раза выше, чем у крысиного. Причем у человека наибольшую сложность показали клетки из слоя 2/3 коры, а у крыс — из слоя 5, вероятно, в результате эволюционного расширения верхних слоев коры у людей.
Рассмотренные в исследовании нейроны — одни из самых сложных в мозге. Однако ученые допускают, что, например, клетки Пуркинье в мозжечке или пирамидные нейроны гиппокампа могут быть еще сложнее. Они, возможно, станут предметом будущих исследований.
Вычислительные преимущества человеческих нейронов нейробиологи объяснили богато разветвленной сетью дендритов и большей плотностью NMDA-рецепторов.
Авторы исследования надеются, что его результаты хоть немного, но приблизили нас к пониманию, как в человеческой голове рождается мысль, чем обусловлены обучение и сознание. Кроме того, полученные данные будут полезны для разработчиков искусственных нейросетей, работающих по подобию мозга.