Разные отделы коры головного мозга могут функционировать как синхронно, так и переключаться на независимый «таймер»
Наука и космос056 минут назад
Ученые из Токийского института науки (Institute of Science Tokyo) установили, что мозг не использует единые «централизованные часы» для восприятия времени. Вместо этого разные участки коры способны динамически переключаться между синхронной работой и полностью независимым отсчетом.
Результаты эксперимента, опубликованные в журнале Nature Communications, объясняют, как биологические системы могут поддерживать стабильность вычислений, оставаясь при этом адаптивными к изменениям окружающей среды.
Исследователи разработали специальную задачу для мышей. Животных обучили ждать награду через чередующиеся интервалы в 6 и 12 секунд. При этом между попытками не было перерывов, что заставляло грызунов постоянно обновлять свое внутреннее чувство времени, а не перезапускать свой «ментальный секундомер» с нуля. К завершению обучения мыши научились точно предсказывать оба временных интервала, предугадывая, какой промежуток времени последует далее.
Во время выполнения задания команда фиксировала активность тысяч отдельных нейронов с помощью двухфотонной кальциевой визуализации. Наблюдения проводились одновременно в 2 зонах, отвечающих за планирование и рабочую память: вторичной моторной коре и задней теменной коре. Выяснилось, что клетки в обеих областях активировались в строгой последовательности, создавая алгоритм, в который была закодирована информация о прошедших секундах.
Ключевым открытием стало изучение ошибок при отсчете времени. Ученые выявили 2 типа сбоев в нейронной активности. В первом случае оба региона ошибались синхронно, демонстрируя когерентность. Во втором случае один участок коры продолжал точно отсчитывать секунды, в то время как другой сбивался, что указывало на их временную независимость. При этом независимые ошибки происходили примерно в 2 раза чаще, чем согласованные, и эта пропорция оставалась неизменной у всех протестированных животных.
Чтобы понять механизм этого естественного баланса, исследователи создали компьютерную модель из 2 рекуррентных нейронных сетей, подверженных общему фоновому шуму. Симуляция показала, что за синхронизацию отвечает небольшое количество редких связей между областями, тогда как глобальный шум заставляет их функционировать автономно. Ни одна из этих сил не преобладает, вместо этого система находит математический компромисс, позволяющий отделам «общаться», но не сливаться в единый негибкий часовой механизм.
Понимание архитектуры распределенного механизма восприятия времени может помочь решить давнюю инженерную проблему. А механизм, при котором редкие связи и общий фон обеспечивают баланс между автономией и синхронизацией, может стать основным принципом проектирования. Внедрение подобных алгоритмов позволит создавать адаптивные системы управления роботами и модели искусственного интеллекта, способные разделять задачи на независимые вычислительные потоки и мгновенно синхронизировать их при необходимости.
Darth SaharaИсточники:Nature CommunicationsНаука и космос0Искусственный интеллектНейронные сетиНейробиологияНейроныКогнитивные исследованияМозг56 минут назад
Источник