Учёные ННГУ впервые теоретически объяснили существование концептуальных клеток

Специалисты Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского совместно с зарубежными коллегами впервые теоретически обосновали существование концептуальных клеток. Это отдельные нейроны, каждый из которых отвечает за своё абстрактное понятие. Доказательство существования таких клеток сыграет важную роль в развитии искусственных нейронных сетей.

Секреты нейронов

По словам руководителя проекта, кандидата физико-математических наук, старшего научного сотрудника отдела фундаментальных и прикладных исследований Центра трансляционных технологий университета им. Лобачевского Валерия Макарова, мозг любого живого существа очень сложен.

– Ключевую роль в работе мозга играют нейроны – клетки нервной системы, которые отвечают за приём, обработку, хранение и передачу сигналов. Считается, что появление абстрактных понятий в человеческом мозге требует сложного и идеально организованного взаимодействия многих нейронов. Однако существует гипотеза, что за подобные задачи могут отвечать так называемые концептуальные клетки. Это отдельные нейроны, в одиночку формирующие абстрактные понятия, на которых они специализируются, например, имя человека. Так, ранее был установлен «нейрон Дженнифер Энистон», который активировался всякий раз, когда на экране возникал портрет актрисы, – комментирует Валерий Макаров.

Учёные предполагают, что концептуальные клетки могут играть важную роль и в эпизодической памяти.

На добрую память

Учёные Нижегородского университета им. Лобачевского, университета Лестера (Англия) и Мадридского университета Комплутенсе (Испания) впервые составили модель, имитирующую работу нейронов в гиппокампе. Это часть мозга, которая отвечает, в частности, за память и ориентацию в пространстве.

– С помощью математических расчётов мы определили три фундаментальных принципа, которые обеспечивают высокие когнитивные способности отдельных клеток. Во‑первых, это строгая иерархия нейронных слоев, которые мы исследовали. Первый выделял сигналы, а второй их обрабатывал и связывал с абстрактными понятиями. Во‑вторых, мы обратили внимание на связи одного нейрона концептуального уровня с множеством принимающих нейронов. В‑третьих, важную роль играет синаптическая пластичность, то есть изменение силы передачи информации между нейронами. Эти теоретические принципы позволяют клеткам обучаться и значительно увеличивать свои когнитивные способности, в результате чего они становятся концептуальными клетками, – пояснил Валерий Макаров.

Чтобы проиллюстрировать возможность такого развития, авторы исследования использовали музыкальные ноты. Как показал эксперимент с Девятой симфонией Бетховена, принимающие нейроны улавливали отдельные звуковые волны, а на концептуальном уровне клетки обрабатывали полученную информацию и определяли, какая именно нота прозвучала, действуя как концептуальные клетки.

– Современные нейронные сети копируют структуру биологических систем. В результате этого они уже превосходят людей в распознавании образов, но пока отстают в когнитивных способностях. Поэтому для дальнейшего развития этой области необходимо лучше понимать, как мозг осознаёт информацию. Обнаружение концептуальных клеток, существование которых теперь можно обосновать с помощью трёх фундаментальных принципов, может иметь огромное значение для нейробиологии и теории нейронных сетей, – уверен Валерий Макаров.