Фото носит иллюстративный характер, pixabay.comОбщепринятая теория о том, как именно человеческий мозг обрабатывает абстрактные понятия — например, "честь", "наука" или "профессионализм", — гласит, что для этого нужно сложное взаимодействие многих нейронов. Однако экспериментальные данные говорят, что за подобные задачи могут отвечать единичные нейроны — так называемые концептуальные клетки.
Одним из самых известных примеров подобных клеток служат так называемые нейроны Дженнифер Энистон, говорится в статье в научном журнале Scientific Reports. В экспериментах ученые под руководством профессора Родриго Кирога из Лестерского университета показывали добровольцам фотографии голливудских звезд и следили за тем, как на это будет реагировать их мозг. Оказалось, что один из нейронов всегда активировался в том случае, когда человеку показывали фото Дженнифер Энистон, а к снимкам других людей он оставался равнодушным.
Ранее полноценного теоретического обоснования у данных о существовании концептуальных клеток не было. Ученые из России, Великобритании и Испании под руководством Валерия Макарова решили заполнить это пробел. Они составили модель, которая имитирует работу нейронов в гиппокампе. Эта область мозга отвечает, в частности, за память и ориентацию в пространстве. С помощью математических расчетов ученые определили фундаментальные принципы, которые обеспечивают способности отдельных клеток по восприятию и "запоминанию" абстрактных понятий.
Важную роль в этом, как считают исследователи, играет в первую очередь строгая иерархия между разными слоями нейронов. Один из них, селективный, выделяет сигналы, а второй, концептуальный, обрабатывает их и связывает с абстрактными понятиями. Кроме того, важны связи одного нейрона концептуального уровня с множеством принимающих нейронов и синаптическая пластичность. Под этим термином ученые подразумевают то, как меняется "сила" передачи информации между нейронами.
Чтобы проверить свои предположения и проиллюстрировать то, как обучаются клетки, авторы исследования создали нейросеть, которая состояла из 3,2 тыс. клеток селективного и 1,6 тыс. клеток концептуального уровней. Клетки фиксировали восемь разных звуковых волн, в каждой из которых было по восемь колебаний. На каждое колебание приходилось, таким образом, около 50 принимающих нейронов.
Сначала нейроны воспринимали множество случайных сигналов. Затем их научили специализироваться на отдельных колебаниях. После обучения через нейросеть "прогнали" девятую симфонию Бетховена. Эксперимент показал, что принимающие нейроны улавливали отдельные звуковые волны, а на концептуальном уровне клетки обрабатывали полученную информацию и определяли, какая именно нота прозвучала. То есть действовали как концептуальные клетки.
"Современные нейронные сети уже превосходят людей в распознавании образов, но пока отстают в когнитивных способностях. Обнаружение концептуальных клеток может иметь огромное значение для нейробиологии и теории нейронных сетей", — заключил руководитель исследования, старший научный сотрудник ННГУ имени Лобачевского Валерий Макаров.
