Как мы учимся чему-то новому? Как в нашем мозге кодируются задачи на новой работе, текст последнего хита или дорога к дому друга? Ответ заключается в том, что мозг адаптируется к новой информации. Для того чтобы следовать новому поведению или удерживать полученную информацию, схема работы мозга трансформируется.
Изменения происходят в триллионах синапсов — соединениях между отдельными нервными клетками, называемыми нейронами, — через которые взаимодействуют клетки мозга. В сложно скоординированном процессе новая информация заставляет одни синапсы укрепляться, а другие ослабевать. Неврологи, внимательно изучающие эти изменения, известные как «синаптическая пластичность», выявили множество молекулярных процессов, вызывающих ее. Однако понимание «правил», по которым синапсы подвергаются этому процессу, оставалось неизвестным — тайна, которая в конечном итоге диктует, как усвоенная информация фиксируется в мозге.
Нейробиологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего раскрыли ключевые детали этого процесса. В работе, опубликованной в журнале Science, исследователи использовали передовую методику визуализации мозга, включая двухфотонную визуализацию, для увеличения масштаба мозговой деятельности мышей и отслеживания активности синапсов и нейронов во время обучения.
Благодаря возможности видеть отдельные синапсы, как никогда ранее, новые изображения показали, что нейроны не следуют одному набору правил во время обучения, как предполагалось. Напротив, отдельные нейроны выполняют множество задач, причем синапсы в разных областях ведут себя не одинаково. Новые результаты помогут в развитии многих областей, от расстройств мозга и поведения до ИИ.
«Когда люди говорят о синаптической пластичности, обычно считается, что она равномерна в пределах мозга», — говорит Райт, автор исследования. «Наше исследование дает более четкое понимание того, как изменяются синапсы в процессе обучения, что может иметь важное значение для здоровья, поскольку многие заболевания мозга связаны с той или иной формой синаптической дисфункции».
Неврологи тщательно изучили, как синапсы имеют доступ только к своей «локальной» информации, но в совокупности они помогают формировать новые формы поведения. Это похоже на муравьев, которые работают над конкретными задачами, не зная целей всей колонии. Обнаружение того, что нейроны следуют сразу нескольким правилам, застало исследователей врасплох. Передовые методы позволили визуализировать входные и выходные изменения в нейронах в момент их возникновения.
«Это открытие в корне меняет представление о том, как мозг решает проблему распределения задач, поскольку в соответствии с концепцией отдельные нейроны параллельно выполняют различные функции в разных субклеточных компартментах», — сказал старший автор исследования Такаки Комияма, профессор факультетов нейробиологии и нейронаук.
Новая информация открывает перспективы для будущего ИИ и нейронных сетей, похожих на мозг, на основе которых они работают. Как правило, вся нейронная сеть функционирует на основе общего набора правил пластичности, но данное исследование указывает на новые способы разработки продвинутых систем ИИ, использующих множество правил для отдельных единиц.
Полученные результаты могут предложить новый способ лечения таких заболеваний, как зависимость, посттравматическое стрессовое расстройство и болезнь Альцгеймера, а также нарушений развития нервной системы, таких как аутизм. «Это исследование закладывает основу для понимания работы мозга в нормальном режиме, чтобы мы могли лучше понять, что идет не так при различных заболеваниях», — заключил Райт.
[Фото: Komiyama Lab, UC San Diego]
