Информационный шум помогает нейронам поддерживать собственную многозадачность

Когда мы говорим о памяти и обучении, то неизбежно вспоминаем про пластичность нейронов мозга: благодаря тому что синаптические связи между нейронами могут легко образовываться, усиливаться, ослабляться и распадаться, мы можем выучить нечто новое, будь то некая философская абстракция или же просто умение держать в руке молоток. Если нейроны не имеют достаточной пластичности, то и усвоить ничего не получится.

Однако не стоит забывать о другой крайности — о том, что полчится, если нейроны окажутся сверхпластичными. В этом случае, хотя связи между нейронами станут образовываться чрезвычайно легко, они столь же легко будут разрываться, и тогда никакие новые умения и знания в мозге просто не удержатся. Но от мозга постоянно требуется выучить, освоить что-то новое: грубо говоря, не успел человек понять, как следует забивать гвозди, а его уже зовут играть в футбол. Учитывая пластичность мозга, можно было бы предположить, что все эти умения будут смешиваться и мешать друг другу, путаясь в образующихся и разрывающихся нейронных связях.

Этого, однако, не происходит, и исследователи из Массачусетского технологического института объясняют, почему. В статье, появившейся в журнале PNAS, Эмилио Бицци (Emilio Bizzi) и его коллеги пытаются рассмотреть, что происходит в мозге, когда ему нужно выучить два неких физических упражнения. Когда мы осваиваем какое-то движение (или последовательность движений), у нас срабатывает одна и та же система моторных нейронов, которые посылают мышцам сигнал, а потом сверяют получившийся результат с тем, что должно было бы получиться. Повторяя эту процедуру, мозг доводит новый навык до приемлемого уровня.

Но что происходит, когда на одну и ту же моторную систему нейронов падают две задачи, да ещё и очень похожие между собой, — например, когда в теннисе разучиваются два вида ударов? Если бы мы имели дело с компьютером, то вспомнили бы, что в нём разные инструкции просто находятся в разных частях микросхемы. Но в мозге для обеих задач приходится использовать одну и ту же «микросхему», один набор моторных нейронов.

Однако, как известно, один и тот же нейрон может участвовать во множестве соединений. Вот, казалось бы, и решение: если к первому заданию добавляется второе, нужно просто поменять конфигурацию нейронной сети, добавить такие соединения, которые позволили бы выполнять новую комбинацию. Вообще, такая способность формировать сразу много соединений делает возможной какую угодно комбинацию задач.

Но эффективность такой системы дополняется ещё одним свойством нейронов, которое, на первый взгляд, должно скорее мешать работе нервных клеток. Речь идёт о низком соотношении «сигнал/шум» — нейроны получают и проводят бесполезной информации не намного меньше, чем полезной.

По словам исследователей, способность выполнять много задач и комбинировать их между собой, находить для этого всё новые и новые решения обусловлена исключительной пластичностью нейронов и их неразборчивостью в отношении шумовых сигналов. Не будь нейроны так толерантны к шуму, сверхпластичность приводила бы к тому, что каждая следующая информация вытесняла бы предыдущую, нейрон отдавал бы предпочтение только новым смысловым сигналам и соединениям, забывая прежнюю информацию и разрывая связи, которые её поддерживали. А так проходящие шумовые сигналы продолжают поддерживать неиспользующиеся соединения, которые в любой момент могут быть задействованы для новой конфигурации.

Конечно, проблему можно было бы решить, просто установив все возможные соединения и сделав их чрезвычайно прочными, так, что даже отсутствие импульсов никак не сказывалось бы на их состоянии. Но такая стабильность означала бы лишь ограниченный — хотя и очень большой — набор операций.

Получается, что нейроны смогли добиться компромисса между устойчивостью и стабильностью синаптических конфигураций с помощью электроимпульсного шума — фактора, польза от которого на первый взгляд совсем не очевидна. Эта модель, по словам учёных, подтверждается и анатомическими исследованиями, согласно которым приобретение новых навыков не обязательно сопровождается подключением новых клеток: мозг обходится прежним набором нейронов, между которыми просто меняется конфигурация соединений.

Однако такая высокая пластичность всё же имеет свой минус: сколь бы ни были изощрённы наши навыки, моторные или какие-то ещё, без тренировки они рано или поздно угасают, особенно если пересекаются с какими-то другими задачами. Тут можно, конечно, вспомнить про велосипед, разучиться ездить на котором почти невозможно. Однако авторы работы объясняют это тем, что езда на велосипеде — это такой навык, который ни с чем не пересекается, а потому его существованию в мозге ничто не вредит.

Подготовлено по материалам MIT News. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.